CC BY
53
А.А. Каменских
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСЫ В УСТЬЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО СТВОЛА
Описаны моделирование и численный эксперимент двухсторонней встречной воздушной завесы, позволяющие уменьшить величину поверхностных утечек воздуха в устье вентиляционного ствола с соответствующим экономическим эффектом.
Ключевые слова: воздушная завеса, поверхностные утечки воздуха, вентиляционный ствол.
This article describes the simulation and numerical experiment of bilateral counter-air curtain to reduce the amount of surface air leaks at the mouth of the ventilation shaft with a corresponding economic benefit. Keywords: air curtain, surface leakage of air, ventilation shaft.
На рудниках вентиляционный ствол используются для технических операций, т.е. это или скиповой, или клетевой, или ски-по-клетевой вентиляционный ствол. Устьем ствола называется его верхняя часть, от сопряжения с вентиляционным каналом до выхода на поверхность.
Используя вентиляционный ствол для шахтного подъема, создаются условия для возникновения поверхностных утечек через устье вентиляционного ствола и надшахтное здание.
С помощью двухсторонней встречной завесы шибирирую-щего типа, разделенной продольной перегородкой и установленной в устье вентиляционного ствола, можно увеличить аэродинамическое сопротивление ствола от нулевой отметки до сопряжения с вентиляционным каналом и в результате чего снизить количество внешних утечек, проходящих через устье вентиляционного ствола.
Инженерная практика опирается на проведение экспериментальных исследований, что при их правильном планировании обычно обеспечивает высокую надежность экспериментальных исследований. Существенный недостаток в современных условиях таких исследований - высокая стоимость и время, необходимое для подготовки и проведения таких исследований. Более эффективным мероприятием является использование параметриче-
ских расчетов (расчетных исследований или численных экспериментов). Они достаточно точно моделируют физические явления, определяющие характеристики системы, с экспериментальными исследованиями, необходимыми для проверки этой точности. Расчеты должны выполняться с помощью оптимального программного комплекса, обеспечивающего выполнение всей совокупности необходимых расчетов за приемлемое количество времени с достаточной точностью.
С целью определения эффективности применения двухсторонней воздушной завесы шибирирующего типа с продольной перегородкой, установленной в устье вентиляционного ствола, мы воспользовались геометрическими параметрами ствола №3 рудника БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Было выполнено трехмерное моделирование и численный эксперимент с помощью методов вычислительной гидрогазодинамики. Это позволило подобрать и рассчитать основное технологическое оборудование с учетом индивидуальных особенностей каждого вентиляционного ствола и разработать основные технические решения по установке воздушной завесы на руднике.
Математическое моделирование и численный эксперимент были проведены в программном комплексе Solid Works Flowsi-mulation [2].
Схема завесы изображена на рис. 1. Воздухораздаточные короба 1 крепятся на полках 2 на отметке - 4,4 метра в устье вентиляционного ствола. Вентиляторы завесы устанавливаются также на полках 2, а воздухозабор осуществляется ниже отметки - 4,4 м. Для повышения эффективности действия завесы поток воздуха утечек делится на два потока с помощью продольной перегородки 3, устанавливаемой на центральные расстрелы. Перегородка имеет высоту, не позволяющую взаимодействовать потокам воздуха в области действия каждой половины завесы. Высота перегородки 3 определяется скоростью и наклоном струи завесы, а также шириной сечения ствола в свету. Кроме того, по периметру сечения в свету также устанавливаются продольные перегородки 4, что обеспечивает более эффективное воздействие струи завесы на основной поток. Воздухораздаточный короб 1 представляет собой клиновидный воздуховод со щелью, расположенной вдоль его фронтальной стенки.
Рис. 1. Модель двухсторонней воздушной завесы шибирирующего типа разделенная продольной перегородкой в устье ствола № 3 рудника БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий»
Для создания завесы внутри вентиляционного ствола используем воздухораздаточный короб длиной 4,26 м. Короб в стволе устанавливается так, что из щели со скоростью Vo выпускается струя воздуха под углом а к воздушному потоку, (в расчетах взят угол 450) проходящему через сечение в свету вентиляционного ствола. Взаимодействуя с потоком, струя завесы изгибается, перекрывая полностью половину сечения ствола. К каждому из двух воздухораздаточных коробов через воздуховод подсоединен вентилятор ВМЭ-6.1 с глушителем шума. В результате увеличивается аэродинамическое сопротивление участка ствола от нулевой отметки до сопряжения с вентиляционным каналом, снижается депрессия на надшахтном здании и, соответственно, уменьшается величина поверхностных утечек.
Рис. 2. Результат математического моделирования воздушных потоков в устье вентиляционного ствола №3 рудника БКПРУ-2
На рис. 2 приведен результат математического моделирования и численного эксперимента без воздушной завесы в устье ствола № 3 рудника БКПРУ-2. Утечки воздуха составили 60,43 м3/с, производительность ГВУ - 444,36 м3/с, количество воздуха поступающего в рудник 383,37 м3/с.
На рисунке 3 приведен результат математического моделирования и численный эксперимент двухсторонней встречной воздушной завесы шиберирующего типа разделенной продольной перегородкой установленной на отметке -4,4м в устье вентиляционного ствола № 3 рудника БКПРУ-2. При том же количестве свежего воздуха, поступающего в рудник (383,37 м3/с), утечки воздуха через устье вентиляционного ствола стали составлять 26,27 м3/с, а производительность ГВУ - 409,46 м3/с. Струи воздушной завесы перекрывают полностью сечение ствола в свету, где установлена воздушная завеса. Возникают два рециркуляционных контура, которые создают дополнительное аэродинамическое сопротивление в устье вентиляционного ствола.
Рис. 3. Результат математического моделирования двухсторонней встречной воздушной завесы шибирирующего типа с продольной перегородкой, установленной в устье вентиляционного ствола № 3 рудника БКПРУ-2
Из рис. 2 и 3 видно действие воздушной завесы, в результате которого снижаются внешние утечки воздуха за счет увеличения аэродинамического сопротивления устья вентиляционного ствола. Далее на рис. 4 в результате численного эксперимента при действии воздушной завесы и без её действия, приведены характеристики утечек (Яут, Яут1) характеристики сети на которую работает ГВУ (Ягву, Ягву1) и характеристики рудника (Яр, Яр1). Из рис. 4 видно, что сопротивление внешних утечек возросло, количество свежего воздуха поступающего в рудник осталось прежним, что в свою очередь привело к снижению производительности ГВУ при том же развиваемом давлении (характеристика сети стала жестче после действия воздушной завесы, на которую работает ГВУ).
Рис. 4. Характеристики вентиляционной сети рудника БКПРУ-2
В дальнейшем, с целью изучения экономического эффекта, проведен расчет применения двухсторонней встречной воздушной завесы шибирирующего типа для снижения поверхностных утечек воздуха через устье вентиляционного ствола и надшахтное здание.
При условии, что 1 кВт* час электроэнергии стоит 2 рубля. Стоимость электроэнергии, которая будет потрачена за год непрерывной работы двух вентиляторов воздушной завесы (ВМЭ-6 с глушителем шума) составляет 592 781,95 рублей.
Расчет экономии электроэнергии ГВУ проводили по следующей формуле [1]:
с, • Т
Сэ =-
1000•Па
а • к & • к
Пв Пв
, руб, (1)
где с, - стоимость 1 кВт*час электроэнергии, руб; &в, & в - производительность вентилятора до установки воздушной завесы и после установки, м3/с; Нв, Н в - статический напор вентилятора до установки воздушной завесы и после установки, м3/с; пв, П в -
статический к.п.д. вентилятора до установки воздушной завесы и после установки, м3/с; пд - к.п.д. электродвигателя; Т - время работы вентилятора в год, час.
В результате такого расчета экономия за счет снижения производительности ГВУ ежегодно составляет 1 247 323 рубля. С учетом потребления электроэнергии двух двигателей ВМЭ-6.1, работающих на воздушной завесе, ежегодная экономия составляет около 654 541 руб. В конечном итоге, окупаемость воздушной завесы, установленной в устье вентиляционного ствола, составит 1-2 года.
Таким образом, двухсторонняя встречная воздушная завеса шибирирующего типа с продольной перегородкой, установленная в устье вентиляционного ствола, является эффективным методом уменьшения поверхностных утечек через устье вентиляционного ствола и надшахтное здание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алыменко Н.И. Исследование работы вентиляторных установок главного проветривания и разработка мероприятий по повышению эффективности их эксплуатации применительно к условиям калийных рудников: дис. ... канд. тех. наук / Н.И. Алыменко. - Ленинград:, 1982. - 229 с.
2. Алямовский А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов [и др.]. - СПб.: БХВ-Петербург. - 2008. - 1040 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Каменских Антон Алексеевич - младший научный сотрудник учреждения Российской академии наук Горного института Уральского отделения РАН (г. Пермь), timir2418@rambler.ru
