CC BY
14
УДК 656.342.071.8
С. А. Тиму хин, С. В. Белов, А. С. Ваньков, В. В. Шлейвин
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШАХТНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ С УЧЁТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ
Как известно, полезная гидравлическая мощность (W„, Вт), передаваемая насосом перемещаемому им потоку воды, определяется в общем случае по формуле
Na = pgQHMt (1)
где О - подача насоса, м?/с; Нн - манометрический напор насоса, м; р - плотность шахтной воды, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с2.
В трубопроводе нагнетательного става водоотливной установки осуществляется подъём воды на геометрическую (геодезическую) высоту водоподъёма (#г), ее перемещение по ставу (динамический напор - Нл) и связанное с этим преодоление его сопротивления (потери напора в ставе - Д//,р). Кроме этого в трубопроводе происходит нагрев воды, обусловленный трением воды о стенки трубопровода.
В соответствии с этим полезная гидравлическая мощность (Л/„) потока воды в трубопроводе разделяется на следующие составляющие, Вт
лг.-ли+л^+лг««,, (2)
где Мид, Л'пср, /Vсо« - мощности, необходимые соответственно для подъёма воды, перемещения воды, преодоления сопротивления тр><х>провода при перемещении по нему воды (потерей гидравлической энергии, связанной с превращением ее в теплоту, в условиях нашей задачи пренебрегаем ввиду ее незначительности).
Проанализируем зависимости Л'вод» Л'пер. Мсоо в функции времени перемещения воды по трубопроводу. Мощность, необходк мая для подъёма воды на высоту Нг, определяется по следующей формуле, Вт:
(3)
Выразив подачу насоса Q через площадь сечения трубопровода (внутренний диаметр d^) и скорость движения воды в нем Цр
получим
= (5)
где ■ Нг //».
Так как насосные камеры обычно располагаются в непосредственной близости от шахтных стволов, с небольшой погрешностью можно принять, что Hr = Lтр, где L^- геометрическая длина трубопровода, м.
С учетом вышеприведенных замечаний уравнение (5) запишем в следующем виде:
Vnoa = 0,25p^x <Ц2Яг2//д.. (6)
Таким образом, мощность, необходимая для подъема волы, находится в обратно пропорциональной зависимости от времени Однако расход энергии, затраченный на данный процесс
в водоотливной установке, от времени зависеть не будет, поскольку уго процесс увеличения потенциальной энергии системы.
Мощность, необходимая для перемещения воды по трубопроводу, определяется по формуле
(7)
где Яд - динамический напор, м. Так как Нл - и^2 / (2#), то
^-0,125^4//«. (8)
Анализ полученного уравнения показывает: как мощность, так и расход энергии на перемещение воды по трубопроводу, являются функцией времени.
Мощность, необходимая на преодоление сопротивлений трубопровода, определяется по следующей формуле:
Я«*, - РяРДЯ^, (9)
где ЛЯ^, - потери напора в трубопроводе, определяемые по формуле
Л/Л, = (ЯДр / +• 1Лр2 / (2*), (10)
где к - коэффициент гидравлического трения воды о стенки трубопровода; - сумма местных сопротивлений трубопровода.
Подставляя выражения (8) и (10) в уравнение (9), получим
Л'«* = (0,125рти/тр2//г,(Х#г) / + / . (11)
Очевидно, что выводы относительно характера и вида зависимости мощности сопротивлений трубопровода от скорости движения »оды в нем, а также расхода энергии на преололение сопротивления трубопровода, аналогичны итоженным выше зависимостям относительно мощности перемещения воды.
Просуммировав выражения (8) и (11) получим общую зависимость (Ыщр + = б ('«)
Я«, + Я.ос = [0,125рш^2ЯЛХЯг)/^ + 2^с + 1)]/ь\ (12)
Проанализируем зависимость КПД трубопровода от времени продвижения в нем воды. Знал,
что
Мх>д + Ли
Птр= -, (13)
Л^под + Япр + Ывщ
подставив значения уравнений (11) и (12) в (13), после соответствующих преобразований приведем данное выражение к виду
2#'д»2 + Ит
Л»р ~ -• (141
+ с+1)
Из уравнения (14) видно, что КПД трубопровода шахтной водоотливной установки является функцией времени движения воды по трубопроводу.
С учетом (14) общий КПД шахной водоотливной установки как целостной системы, состоящей из следующих подсистем: электрической сети (система энергоснабжения), привода, насоса и трубопроводного става, запишется в следующем виде:
г^+ЛгДОг/'ч.+гс.м+о где л*, г]Пр, Т1„ - соответственно КПД электрической сети, привода и насоса.
Таким образом, общий КПД шахтной водоогливной установки в целом, так же как и трубопроводного става, является функцией времени.
Проведем апробацию полученных здесь зависимостей для оценки энергетической эффективности шахтных трубопроводных ставов. В качестве примера используем параметры водоотливной установки [1], у которой Нг = 500 м; (1^, ■ 257 мм; X ~ 0,03; - 23,92.
Энергия трубопроводного става определяется по формуле, кВт-с
(16)
Для различных скорости и времени движения волы в трубопроводе определим мощное™, необходимые для подъема воды (6). перемещения (8) и сопротивления трубопровода (11), а также энергии (16) трубопроводного става и КПД (13).
Результаты расчетов сведены в таблицу и по этим данным построены зависимости
А^СОО / (Мк>л + /Упер) =/('«) (РИС. 1, о), IV = /(/„) (рис. 1, б), Птр =/(/») (рис. 1, в). _____Таблица
где. с \/тр. м/с А/под. кВт Ыпвр. кВт Ысоп. кВт Ысоп / ( Ыпер+Ыпод) УУ. кВт с птр
400 1.38 333.79 0.0719 6.363 0.019 136089.96 0,981
350 1.58 381.475 0.1074 9.495 0.025 136878.49 0,975
300 1.84 445.054 0.1705 15.084 0.034 138092.55 0,967
250 2,21 534.065 0.2946 26.065 0,048 140106.15 0.953
200 2.76 667.581 0.5754 50,903 0.076 143812.88 0,929
150 3.68 890.108 1.364 120.671 0.135 151813.35 0.88
123 4.5 1085.498 2.4737 218.858 0.201 160740.05 0,832
100 5.53 1335.162 4.603 407.266 0.304 174703.1 0,766
90 6.1 1483.514 6.314 558.665 0.375 184364.4 0,727
80 6.91 1668.953 8.991 795.443 0.474 197870,96 0,678
70 7.9 1907.375 13.42 1187.366 0.618 217571.27 0,618
60 9.21 2225.271 21.3И 1885.494 0.839 247924.56 0,543
50 11.06 2670.325 36.826 3258.134 1,203 298264,25 0,453
46.1 12 2096.231 47.293 4104,133 1,421 320504,90 0.413
С 100 200 300 «00 {
Как видно из графиков, с увеличением времени движения воды уменьшается потребляемая энергия, увеличивается К1Щ трубопровода и уменьшается мощность, т. е. энергетические показатели трубопроводов улучшаются. Полученные зависимости могут использоваться для оценки энергетической эффективности и при оптимизации параметров трубопроводных ставов шахтных водоотливных установок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Братиенко Б. Ф. Стационарные установки шахт. М.: Недра, 1977.438 с.
2. Посырее Б. А. Насосные установки горных предприятий. Екатеринбург: Над-во УПТА, 1997. 161 с.
УДК 622.44
С. А. Гимухин, В. В. Ш.тейвин, С. А. Упоров, А. С. Потапова
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ И ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК
Принятое в настоящее время раздельное рассмотрение баланса энергии в поверхностном комплексе главной ветгиляторной устгловки (ГВУ) (элеюричсская сеть, вентилятор главного проветривания, привод, вентиляционные каналы) и в подземном - (шахтная вентиляционная сеть) - приводит на практике к диаметрачьно противоположным результатам.
С одной стороны, любое уменьшение аэродинамического сопротивления сети (рассматриваемое в рудничной аэрологии с позиции ее критериев) приводит к снижению энергетических затрат на перемещение воздушных потоков по сети, т. с. к улучшению баланса энерпж в ней. С другой - в поверхностном комплексе ГВУ (рассматриваемом в горной механике) приводит к снижению статического КПД вагтнляторов главного проветривания (ВГП) и ухудшению их энергетического баланса. Следовательно, баланс энергии в поверхностном комплексе ГВУ и шахтной вентиляционной сети (ШВС) следует рассматривать в рамках одной целостной системы в позиции соответствующих общесистемных критериев энергетической эффективности. Последнее в полной мере согласуетсяи с классическим в горной механике определением турбоустановки как совокупности турбомашины и внешней сети.
Как показано ранее [1], общесистемными показателями энергетической эффективности ГВУ является общий КПД установок и их удельное электропотребление (расход энергии за определенное время, отнесенное к 1 м3 свежего воздуха, поданного за это время в шахту; сетевая мощность привода, отнесенная к I м3/с воздуха, подаваемого вентилятором в шахту).
Общий КПД ГВУ пУ определяется как
% =ПэсППрП„Пк, (1)
где Пх'Ппр'Лп-'Лвс" КПД, соответственно, электрической сети, привода, вентилятора и вентиляционной сети (вентиляционные каналы в поверхностном комплексе включен в состав ШВС).
Значения Пэс»т)пр»т1л>могУт быть легко определены по соответствующим техническим характеристикам машин. При расчете значения будем исходив из того, что полезная гидравлическая мощность ВГП Nл = Qvx Р^ где (?„ - подача вентилятора; Р„ - статическое давление вентилятора, полностью передастся перемещаемому в сеть потоку воздуха. Следовательно, она является входной гидравлической мощностью ШВС.
Статическое давление ВГП (числанно ровное полной депрессии сети) расходуется на перемещение воздуха по сети (динамическая составляющая депрессии сети - Р^) и на преодоление аэродинамического сопротивления сети (статическая составляющая депрессии сети - Р$ьс).
77
