Реферат
по теме выпускной работы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Состояние вопроса

2.Актуальность темы

3.Цель и задачи работы

4.Текущие результаты

Краткая сводка полученных результатов и основные вывод

Литература

Введение

На всех горных предприятиях водоотливные установки являются одним из наиболее ответственных и энергоемких звеньев, требующим тщательного и своевременного обслуживания, так как нормальное и бесперебойное функционирование средств шахтного водоотлива обеспечивает нормальную работу остальных стационарных установок предприятия и исключает аварийное затопление горных выработок, обеспечивая нормальные условия труда рабочих.

Поле водопритоков действующих водоотливов с учетом строящихся и проектируемых групповых водоотливных комплексов закрываемых шахт охватывает диапазон (100...2500) м 3/час при высотах водоподъема от 200 до 1600 м. Более 50 % установок эксплуатируются в диапазоне притоков (100...300) м3/час и высоты водоподъема (100...700) м. На подавляющей части водоотливов используются насосные агрегаты с потребляемой мощностью, не превышающей 800 кВт. Но в последние годы наблюдается устойчивая тенденция существенного увеличения единичной мощности насосных агрегатов до 1600 кВт. Суммарная мощность приводов насосных агрегатов на таких установках может достигать (8000... 10000) кВт.

Рисунок 1– Схема насоса типа ЦНС.

В настоящее время в качестве средств водоотлива в горной промышленности используются центробежные многосекционные насосы типов ЦНС (рис. 1) и НСШ (рис. 2). Заводами изготовителями гарантируется надежная работа насосов на шахтной воде, в которой содержатся взвешенные твердые частицы размером менее 0,1 мм. Работа на шахтной воде с содержанием твердых частиц размером более 0,1 мм приводит к быстрому выходу насосов из строя, в связи с тем, что при попадании твердых частиц во всасывающий трубопровод, они вызывают абразивный износ и разрушение элементов проточной части, рабочих колес и щелевых уплотнений.

Рисунок 2– Схема насоса типа НСШ.

Водосборники действующих водоотливных установок шахт представляют собой, как правило, сеть горизонтальных горных выработок, выполненных с небольшим уклоном в сторону приемного колодца. В комплексе водоотлива водосборники используются для аккумуляции шахтных вод, с целью компенсации разности притока и подачи насосов, а так же для их осветления путем отстаивания. Выпадение твердых частиц из шахтной воды приводит к тому, что уменьшается объем полезной емкости водосборника и возникает необходимость частого пуска насосов, что в свою очередь влечет за собой активный износ насосных агрегатов при пусковых режимах. Кроме этого, имеет место сползание ско-плений твердых частиц из водосборников в приемные колодцы. При этом не исключена возможность перекрывания отверстий всасывающего устройства и повышения вероятности работы насоса в кавитационных режимах.

1.Состояние вопроса

Большой вклад в разработку схем и средств шахтного водоотлива внесли А.П. Герман, М.М. Федоров, В.С. Пак, В.Г. Гейер, А.В. Докукин, Г.М. Еланчик, В.М. Попов, Н.Г. Логвинов, В.И. Груба, В.В. Пак, П.Ф. Беликов, Н.А. Богомолов, Г.М. Тимошенко, М.Г Рипп, Н.Г. Картавый, А.А. Каплюхин, Н.Е. Офенген-ден, А.Н. Заря, В.В. Мазуренко, Г.М. Нечушкин, Е.А. Воловик, О.В. Адам, Н.В. Паламарчук, Э.И. Антонов, И.И. Куренков, М.С. Рабинович, Ю.В. Тимо-хин, В.А. Фадин, В.Б. Малеев, В.М. Яковлев, Е.И. Данилов, С.С. Малыгин, В.А Романов и многие другие специалисты Донецкого национального технического университета, НИИГМ им. М.М. Федорова, Тульского политехнического института, Московского государственного горного университета, Днепропетровского национального горного университета, «Южгипрошахт», «Донгипрошахт», «Донгипроуглемаш», ДонУГИ, «Днепрогидрошахт», Ясногорского маш-завода, ИГД им. Скочинского, а также многие другие ученые и конструкторы стран ближнего и дальнего зарубежья. Выполненные перечисленными специалистами и организациями работы, посвященные решению отдельных конкретных направлений развития шахтного водоотлива на Украине и за рубежом, оп-ределили общую систему подхода к решению проблемы очистки водоотливных емкостей от осевшего шлама. На их основе был разработан ряд оригинальных технологических схем и средств удаления шлама из водосборных емкостей; гидроэлеваторные водоотливные установки. (рис. 3)

Рисунок 3– Схема гидроэлеватора,
где 1- камера смешения и 2- пульпопровод.

Однако, несмотря на многочисленность работ, посвященных выбору и расчету схем и средств осветления шахтных вод от твердых включений в подземных условиях, нельзя не отметить их разрозненность и принципиальную незавершенность. На наш взгляд, недостаточно внимания было уделено вопросам повышения эффективности работы гидравлических средств для удаления твердых частиц из мест их накопления в элементах системы шахтного водоотлива. В литературе нет никаких данных об исследованиях работы гидроэлеватора без диффузора в вакуумном режиме.

2.Актуальность темы

Анализ влияния расходов напора в проточной части гидроэлеваторов на их эффективность показал, что при модуле m<15 потери мощности в диффузоре составляют больше чем 50% от всех потерь. Главная задача диффузора, как одного из составляющих элементов гидроэлеватора - это превращение скоростного напора на выходе из камеры смешения в статический напор, необходимый для транспортировки жидкости на значительные расстояния. Но в условиях шахтного водоотлива или на обогатительных фабриках, когда есть необходимость в систематической очистки приемных емкостей от шлама (зумпф скиповых стволов, колодцы насосных камер, предварительные отстойники ), можно ограничиться лишь поднятием шлама из емкости и последующим его сгущением. В таких случаях встает вопрос о целесообразности использования диффузора как элемента проточной части. Отсутствие его значительно упрощает конструкцию. Кроме этого, при работе гидроэлеваторов без диффузора существует возможность снизить расход рабочей воды.

В результате, в области проектирования технологических схем и средств водоотливных установок продолжают, в основном, преобладать устаревшие методы и подходы, не позволяющие создавать системы, соответствующие современным требованиям, предъявляемым к водоотливным установкам. Поэтому все изложенное выше определяет актуальность работы, направленной на решение указанной проблемы, суть которой состоит в обосновании и выборе схем осветления шахтной воды от твердых включений и рациональных параметров средств очистки водоотливных емкостей от осевшего шлама, реализации экспериментов, обработки и интерпретации их результатов.

3.Цель и задачи работы

Целью работы является повышение эффективности работы шахтного водоотлива, снижение потребления электроэнергии и уменьшение долю ручного труда при его обслуживании на основании установленных рациональных параметров водоотливной установки шахты с гидродинамической очисткой водоотливных емкостей от осевшего в них шлама.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

1.Теоретические исследования гидроэлеваторов без диффузора: геометрическая модель проточной части гидроэлеватора и критерии подобия; уравнение безразмерной характеристики; анализ кавитационных качеств водоструйного вакуумного насоса.

2.Экспериментальные исследования гидроэлеваторов без диффузора: планирование эксперимента, исследуемый гидроэлеватор и экспериментальная установка.

3.Получение зависимостей для определения оптимальных геометрических и режимных параметров гидроэлеваторов без диффузора, которые работают в вакуумном режиме

4.Экономический эффект от применения разработанной водоотливной установки.

4.Текущие результаты

Геометрическая модель проточной части гидроэлеватора и критерии подобия.

Моделирование и использование критериев подобия, которые учитывают соотношение величин, характеризующих рабочий режим и геометрические размеры модели и натуры, позволит расширить границы использования экспериментального материала для расчета натурных образцов и упростит этот расчет.

Для проведения исследований форма проточной части гидроэлеватора закрытого типа разработана с учетом проведенных в литературе рекомендаций /1, 2, 3, 4/. Принят простой в изготовлении, но достаточно эффективный конический насадок 4 с цилиндрическим участком на конце длиной, равной четверти диаметра (рис. 4). Для насадка такой формы коэффициент скорости равен коэффициенту расхода ввиду отсутствия сжатия струи на выходе. В условиях шахтного водоотлива рабочая и транспортируемая вода содержит абразивный твёрдый материал, поэтому толщина кромки на срезе насадка должна быть не менее трёх-четырёх миллиметров и срез насадка смещен от начала камеры смешения. По имеющимся в литературе рекомендациям, расстояние от среза насадка до начала камеры смешения принято равным (1,2-2,0) d_н.

Рисунок. 4– Схема гидроэлеватора без диффузора.
(анимация: объем – 21,6 КБ; количество кадров – 5;
количество циклов повторения – 5)

В исследуемом гидроэлеваторе принята цилиндрическая форма камеры смешения 5. Подвод потока транспортируемой жидкости к камере смешения осуществляется по конфузорному каналу 3, в котором располагается насадок. Наименьший коэффициент сопротивления имеет конфузор с углом конусности, равный сорока-пятидесяти градусам /5, 6/. При выполнении наружной поверхности насадка с теми же углами, транспортируемый поток движется с постоянным ускорением, что способствует выравниванию эпюры скорости по сечению канала и повышает эффективность гидроэлеватора за счет уменьшения разности скоростей рабочей и транспортируемой жидкости при встрече на входе в камеру смешения.

Площади сечения приемной камеры 2 и патрубка 1 для подвода рабочей воды к насадку рекомендуется выполнять такими, чтобы скорости жидкости в этих сечениях на режимах, близких к оптимальным, были примерно одинаковыми и равными полутора- двум метрам в секунду

Составляющие основу моделирования критерии подобия определяются либо из условия тождественности уравнений, описывающих процессы, либо из анализа размерностей. Высокая степень турбулентности потоков и неопределенность влияния отдельных элементов проточной части и неопределенность влияния отдельных элементов проточной части на данном этапе наших знаний не представляют возможность описать процесс в гидроэлеваторе дифференциальным уравнением. Поэтому определение критериев подобия проводим на основе теории размерности.

Зависимость между независимыми параметрами, характеризующими рабочий режим и геометрические размеры гидроэлеватора, выражаются общим функциональным уравнением:

(1)

Где P₂- полное, с учетом гидродинамического, давление, создаваемое гидроэлеватором;

u₁, u₂- скорости, соответственно, рабочего и транспортируемого потоков на входе в камеру смешения;

?_н, ?_к- площади сечения насадка и камеры;

?- вязкость рабочей и транспортируемой жидкостей;

?- плотность жидкостей.

Уравнение (1) написано для случая, когда рабочая и транспортируемая жидкости имеют одинаковые плотность и вязкость на основании литературных данных о влиянии каждого из рассматриваемых параметров на процесс передачи энергии в гидроэлеваторе.

При анализе предполагается, в первую очередь, соблюдение геометрического подобия модели и натуры. Поэтому в уравнение (1) не вошли параметры, выражающие геометрическое подобие, а именно – соотношение площадей сечений камеры смешения и насадка, относительная длина камеры смешения и ее относительная шероховатость.

Выражающим геометрическое подобие параметром является также расстояние от среза насадка до начала камеры смешения. Принятое в модели оптимальное, по литературным данным, значение этого расстояния позволяет сделать допущение, что процесс перемешивания потоков начинается в камере смешения.

Независимые переменные величины принимаем для анализа из условия неравенства нулю определителя матрицы, составленной из их размерностей. Для нашего случая принимаем

u₁(l¹ m ⁰ t ^-1), ?_н(l² m ⁰ t ⁰), ?(l^-3 m ¹ t ⁰)

Определитель матрицы:

Определив по второй ? - теореме безразмерные комплексы, запишем критериальное уравнение процесса:

(2)

Первый безразмерный комплекс является критерием Эйлера, выражающим гидродинамическое подобие процессов. Скорость струи рабочей жидкости определяется по известной в гидравлике зависимости:

(3)

Где - коэффициент скорости;

?_н- коэффициент сопротивления насадка;

P₁- полное, с учетом гидродинамического, давление в потоке рабочей жидкости перед насадком;

P_к - давление в потоке на входе в камеру смешения.

Используя уравнение (3) и выражая давление перед насадком через полный напор потока рабочей жидкости в этом сечении, а давление гидроэлеватора через полный напор, сообщаемый потоку транспортируемой жидкости, получим:

(4)

Где H₁ - полный напор потока рабочей жидкости перед насадком;

H₂- полный напор, сообщаемый в гидроэлеваторе потоку транспортируемой жидкости;

- коэффициент напора гидроэлеватора;

- относительное давление в начале камеры смешения.

Комплекс , представляющий собой отношение площадей сечений камеры смешения и насадка, выражает основное условие геометрического подобия гидроэлеваторов. Из литературных источников известно, что отношение площадей сечений камеры смешения и насадка оказывает определяющее влияние на характеристики гидроэлеваторов. Большинство авторов называют этот параметр модулем и обозначают – m. Обычно камера и насадок имеют круглое сечение. В этом случае комплекс может быть представлен в виде:

(5)

Где d_к - диаметр камеры смешения;

d_н- диаметр насадка.

Безразмерный комплекс является выражением кинетического подобия на входе в камеру смешения. Соотношение скоростей рабочего и транспортируемого потоков определяет процесс их перемешивания в камере. Этот критерий может быть выражен через параметры, характеризующие рабочий режим и относительный геометрический размер гидроэлеватора:

(6)

Где Q₂ - подача гидроэлеватора;

Q₁ - расход рабочей воды;

- коэффициент подачи гидроэлеватора.

Представленный в таком виде критерий имеет вполне определенный физический смысл – это коэффициент подачи, приходящийся на единицу площади (отношение площади кольцевого сечения транспортируемого потока на входе в камеру смешения к площади сечения насадка). Обозначим критерий -

При круглом сечении насадка параметр можно представить в виде , где ?- кинематический коэффициент вязкости жидкости.

В таком представлении комплекс является критерием Рейнольдса и выражает гидродинамическое подобие потоков рабочей жидкости на срезе насадка. Имеющиеся в литературе данные о влиянии этого критерия на характеристики гидроэлеватора противоречивы.

Критериальное уравнение процесса принимает вид:

(7)

Используя свойство безразмерных комплексов (возможность их перемножения, деления, возведения в степень), можно получить достаточно большое их число. В нашем случае интерес представляет произведения первого и второго безразмерных комплексов . По данным Л.Б. Бермана, для оптимальных режимов работы гидроэлеваторов произведение коэффициента напора на модуль равно единице. Комплекс показывает, что напор гидроэлеватора во столько раз меньше напора перед насадком, во сколько площадь сечения камеры смешения больше сечения насадка. Обозначим комплекс и решим критериальное уравнение относительно него:

(8)

Для подобных процессов должно соблюдаться условие: , , .

Установить связь между полученными безразмерными комплексами, а также определить числи критериев, обеспечивающих подобие, можно экспериментальным путем.

Краткая сводка полученных результатов и основные выводы

Для проведения исследований геометрическая форма проточной части гидроэлеватора без диффузора принята с учетом условий эксплуатации на проходческом водоотливе и рекомендаций, приведенных в литературе. В результате анализа размерностей получены критерии подобия и критериальное уравнение рабочего процесса в водоструйном вакуумном насосе. Для установления функциональной связи полученных критериев, а также числа критериев, обеспечивающих подобие, необходимо провести экспериментальные исследования гидроэлеваторов без диффузора.

ЛИТЕРАТУРА

1.Каменев П.Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты.– М.: Машстройиздат, 1950. – 346 с.

2.Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве. – М.: Стройиздат, 1964. – 403 с.

3.Фридман Б. Э. Гидроэлеваторы. – М.: Машгиз, 1960. – 321 с.

4.Чернавкин Н.Н. Организация и эксплуатация гидроэлеваторного водоотлива. М: Углетехиздат, 1949. – 62 с.

5.Идельчк И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Госэнергоиздат, 1960. – 464 с.

6.Идельчк И. Е. Гидравлические сопротивления. Физико- механические основы. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1954. –с. 84-95.

7.Подвидз Л.Г. Энергетические характеристики процесса смшивания//Изв. ВУЗов «Машиностроение», 1976. - №11. – с. 75-79.

8.Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: «Высшая школа». 1973, - 295с.

9.Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена. - М.: «Высшая школа». 1974, - 328 с.

10.Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. М:Энергия, 1967. – 210 с.

11.Веников В.А. теория подобия и моделирования, М.: - Высшая школа, 1976. – 480 с.

12.Болотских Н.С. Исследования водоструйных насосов//Гидравлические машины. Респ. Межв. Сб., Харьков, 1973, вып. 7. – С.93-99.

13.Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.:Физматгиз, 1960. – 715с.

14.Семинская Н. В. Совершенствование гидроструйных технологий с учетом особенностей формирования струй высокого давления. // Автореферат диссертации [Електронний ресурс] /– Национальный техн. унив-т Украины– Киев: КПИ, 2008. – Режим доступа: http://www.dlib.com.ua/osoblyvostej-formuvannja.html