Реферат
за темою випускної роботи

ЗМІСТ

Введення

1.Стан питання

2.Актуальність теми

3.Мета і задачі роботи

4.Поточні результати

Коротке зведення отриманих результатів і основні висновки

Література

Введення

На усіх гірських підприємствах водовідливні установки є однією з найбільш відповідальних і енергоємних ланок, що вимагає ретельного і своєчасного обслуговування, оскільки нормальне і безперебійне функціонування засобів шахтного водовідливу забезпечує нормальну роботу інших стаціонарних установок підприємства і виключає аварійне затоплення гірських вироблень, забезпечуючи нормальні умови праці робітників.

Поле водоприпливів діючих водовідливів з урахуванням групових водовідливних комплексів шахт, що закриваються, що будуються і проектованих, охоплює діапазон (100..2500) м 3/година при висотах водопідйому від 200 до 1600 м Більше 50 % установок експлуатуються в діапазоні припливів (100..300) м3/година і висоти водопідйому (100..700) м На пригнічуючій частині водовідливів використовуються насосні агрегати із споживаною потужністю, що не перевищує 800 кВт. Але останніми роками спостерігається стійка тенденція істотного збільшення одиничної потужності насосних агрегатів до 1600 кВт. Сумарна потужність приводів насосних агрегатів на таких установках може досягати (8000.. 10000) кВт.

Рисунок 1– Схема насоса типа ЦНС.

Нині в якості засобів водовідливу в гірській промисловості використовуються відцентрові багатосекційні насоси типів ЦНС і НСШ. Заводами виготівниками гарантується надійна робота насосів на шахтній воді, в якій містяться зважені тверді частки розміром менше 0,1 мм. Робота на шахтній воді з вмістом твердих часток розміром більше 0,1 мм призводить до швидкого виходу насосів з ладу, у зв'язку з тим, що при попаданні твердих часток у всмоктуючий трубопровід, вони викликають абразивний знос і руйнування елементів проточної частини, робочих коліс і щілинних ущільнень.

Рисунок 2– Схема насоса типа НСШ.

Водозбірники діючих водовідливних установок шахт є, як правило, мережею горизонтальних гірських вироблень, виконаних з невеликим ухилом у бік приймального колодязя. У комплексі водовідливу водозбірники використовуються для акумуляції шахтних вод, з метою компенсації різниці припливу і подачі насосів, а так само для їх освітлення шляхом відстоювання. Випадання твердих часток з шахтної води призводить до того, що зменшується об'єм корисної місткості водозбірника і виникає необхідність частого пуску насосів, що б свою чергу спричиняє за собою активний знос насосних агрегатів при пускових режимах. Окрім цього, має місце сповзання скупчень твердих часток з водозбірників в приймальні колодязі. При цьому не унеможливлено перекривання отворів всмоктуючого пристрою і підвищення вірогідності роботи насоса в режимах кавітацій.

1.Стан питання

Великий вклад в розробку схем і засобів шахтного водовідливу 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. І. Груба, В. В. Пак, П. Ф. Беликов, Н.А. Богомолов, Г. М. Тимошенко, М. Г Рипп, Н.Г. Гаркавий, А.А. Каплюхин, Н.Е. Офенгенден, А.Н. Зоря, 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. Тимохин, В. А. Фадин, В. Би. Малеев, В. М. Яковлєв, Е.И. Данилов, С. С. Малыгин, В. А Романів і багато інших фахівців Донецького національного технічного університету, НИИГМ ім. М. М. Федорова, Тульського політехнічного інституту, Московського державного гірського університету, Дніпропетровського національного гірського університету, "Южгипрошахт", "Донгипрошахт", "Донгипроуглемаш", ДонУГИ, "Днепрогидрошахт", Ясногорского машзавода, ИГД ім. Скочинского, а також багато інших учених і конструктори країн ближнього і далекого зарубіжжя. Виконані перерахованими фахівцями і організаціями роботи, присвячені рішенню окремих конкретних напрямів розвитку шахтного водовідливу на Україні і за кордоном, визначили загальну систему підходу до вирішення проблеми очищення водовідливних місткостей від шламу, що осів. На їх основі були розроблені ряд оригінальних технологічних схем і засобів видалення шламу з водозбірних місткостей; гідроелеваторні водовідливні установки.

Рисунок 3– Схема гидроелеватора,
где 1- камера змішення и 2- пульпопровід.

Проте, незважаючи на численність робіт, присвячених вибору і розрахунку схем і засобів освітлення шахтних вод від твердих включень в підземних умовах, не можна не відмітити їх розрізненість і принципову незавершеність. На наш погляд, недостатньо уваги було приділено питанням підвищення ефективності роботи гідравлічних засобів для видалення твердих часток з місць їх накопичення в елементах системи шахтного водовідливу. Однак в літературі немає жодних даних о дослідженнях роботи гідроелеватора без дифузору, що працює у вакуумному режимі.

2.Актуальність теми

Аналіз впливу витрат напору в проточній частині гідроелеваторів на їх ефективність показав, що при модулі m<15 втрати потужності у дифузорі складають більше ніж 50% від усіх втрат. Головна задача дифузору, як одного зі складових елементів гідроелеватора – це перетворення швидкісного напору на виході з камери змішування у статичний напір, необхідний для транспортування рідини на значні відстані. Але в умовах шахтного водовідливу або на збагачувальних фабриках, коли є необхідність у систематичному очищенні приймальних ємностей від шламу (зумпфи скіпових стволів, колодязі насосних камер, попередні відстійники), можна обмежитися лише підняттям шламу з ємності та наступним його згущенням. У таких випадках постає питання про доцільність використання дифузору як елемента проточної частини. Відсутність його значно спрощує конструкцію. Крім того, при роботі гідроелеваторів без дифузору є можливість знизити витрату робочої води.

У результаті, в області проектування технологічних схем і засобів водовідливних установок продовжують, в основному, переважати застарілі методи і підходи, що не дозволяють створювати системи, що відповідають сучасним вимогам, що пред'являються до водовідливних установок. Тому усе викладене вище визначає актуальність роботи, спрямованої на рішення вказаної проблеми, суть якої полягає в обґрунтуванні і виборі схем освітлення шахтної води від твердих включень і раціональних параметрів засобів очищення водовідливних місткостей від шламу, що осів, реалізації експериментів, обробки і інтерпретації їх результатів.

3.Мета і задачі роботи

Метою роботи є підвищення ефективності роботи шахтного водовідливу, зниження споживання електроенергії та зменшення частку ручної праці при його обслуговуванні на підставі встановлених раціональних параметрів водовідливної установки шахти з гідродинамічної очищенням водовідливних ємностей від шламу, що осів у них.

Для досягнення зазначеної мети в роботі необхідно вирішити такі основні задачі:

1.Теоретичні дослідження гідроелеваторів без дифузора: геометрична модель проточної частини гідроелеватора і критерії подібності; рівняння безрозмірною характеристики; аналіз кавітаційних якостей водоструминного вакуумного насоса.

2.Експериментальні дослідження гідроелеваторів без дифузора: планування експерименту, досліджуваний гідроелеватор і експериментальна установка.

3.Отримання залежностей для визначення оптимальних геометричних і режимних параметрів гідроелеваторів без дифузора, які працюють у вакуумному режимі.

4.Економічний ефект від застосування розробленої водовідливної установки.

4.Поточні результати:

Геометрична модель проточної частини гідроелеватора і критерії подібності

Моделювання і використання критеріїв подібності, які враховують співвідношення величин, що характеризує робочий режим і геометричні розміри моделі і натури, дозволить розширити межі використання експериментального матеріалу для розрахунку натурних зразків і спростить цей розрахунок.

Для проведення досліджень форма проточної частини гідроелеватора закритого типу розроблена з урахуванням проведених в літературі рекомендацій /1, 2, 3, 4/. Прийнятий простий у виготовленні, але досить ефективний конічний насадок 4 з циліндричною ділянкою на кінці завдовжки, рівній чверті діаметру (рис 4). Для насадка такої форми коефіцієнт швидкості дорівнює коефіцієнту витрати зважаючи на відсутність стискування струменя на виході. В умовах шахтного водовідливу робоча вода, що транспортується, містить абразивний твердий матеріал, тому товщина кромки на зрізі насадка має бути не менше трьох-чотирьох міліметрів і зріз насадка зміщений від початку камери змішення. По наявних в літературі рекомендаціях, відстань від зрізу насадка до початку камери змішення прийнята рівною (1,2-2,0)d_н.

Рисунок 4– Схема гідроелеватора без дифузору.
(анімація: об'ъєм – 21,6 КБ; кількість кадрів – 5;
кількість циклів повторення – 5)

У досліджуваному гідроелеваторі набута циліндричної форми камери змішення 5. Підведення потоку рідини, що транспортується, до камери змішення здійснюється по конфузорному каналу 3, в якому розташовується насадок. Найменший коефіцієнт опору має конфузор з кутом конусності, рівний сорока-п'ятдесяти градусам. При виконанні зовнішньої поверхні насадка з тими ж кутами, потік, що транспортується, рухається з постійним прискоренням, що сприяє вирівнюванню епюри швидкості по перерізу каналу і підвищує ефективність гідроелеватора за рахунок зменшення різниці швидкостей робочої рідини та рідини, що транспортується, при зустрічі на вході в камеру змішення.

Площі перерізу приймальної камери 2 і патрубка 1 для підведення робочої води до насадку рекомендується виконувати такими, щоб швидкості рідини в цих перерізах на режимах, близьких до оптимальних, були приблизно однаковими і рівними півтора-двом метрам в секунду.

Критерії подібності, що становлять основу моделювання визначаються або з умови тотожності рівнянь, що описують процеси, або з аналізу розмірності. Висока міра турбулентності потоків і невизначеність впливу окремих елементів проточної частини і невизначеність впливу окремих елементів проточної частини на цьому етапі наших знань не представляють можливість описати процес в гідроелеваторі диференціальним рівнянням. Тому визначення критеріїв подібності проводимо на основі теорії розмірності.

Залежність між незалежними параметрами, що характеризують робочий режим і геометричні розміри гідроелеватора, виражаються загальним функціональним рівнянням:

(1)

де P₂- повне, з урахуванням гідродинамічного, тиск, що створюється гідроелеватором;

u₁, u₂- швидкості, відповідно, робочого і такого, що транспортується потоків на вході в камеру змішення;

?_н, ?_к- площі перерізу насадка і камери;

?- в'язкість робочої і рідини, що транспортується;

?- щільність рідин.

Рівняння (1) написане для випадку, коли робоча рідина і така, що транспортується мають однакову щільність і в'язкість на підставі літературних даних про вплив кожного з даних параметрів на процес передачі енергії в гідроелеваторі.

При аналізі передбачається, в першу чергу, дотримання геометричної подібності моделі і натури. Тому до рівняння (1) не увійшли параметри, що виражають геометричну подібність, а саме - співвідношення площ перерізів камери змішення і насадка, відносна довжина камери змішення і її відносна шорсткість.

Параметром, що виражає геометричну подібність, є також відстань від зрізу насадка до початку камери змішення. Прийняте в моделі оптимальне, за літературними даними, значення цієї відстані дозволяє зробити допущення, що процес перемішування потоків починається в камері змішення.

Незалежні змінні величини приймаємо для аналізу з умови нерівності нулю визначника матриці, складеної з їх розмірності. Для нашого випадку приймаємо

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

Визначник матриці:

Визначивши по другій - теоремі безрозмірні комплекси, запишемо критеріальне рівняння процесу :

(2)

Перший безрозмірний комплекс є критерієм Ейлера, що виражає гідродинамічну подібність процесів. Швидкість струменя робочої рідини визначається по відомій в гідравліці залежності:

(3)

де - коефіцієнт швидкості;

?_н- коефіцієнт опору насадка

P₁- повне, з урахуванням гідродинамічного, тиск в потоці робочої рідини перед насадком;

P_к - тиск в потоці на вході в камеру змішення.

Використовуючи рівняння (3) і виражаючи тиск перед насадком через повний напор потоку робочої рідини в цьому перерізі, а тиск гідроелеватора через повний напор, що повідомляється потоку рідини, що транспортується, отримаємо:

(4)

де H₁ - повний напор потоку робочої рідини перед насадком;

H₂- повний напор, що повідомляється в гідроелеваторі потоку рідини, що транспортується;

- коефіцієнт напору гідроелеватора;

- відносний тиск на початку камери змішення.

Комплекс , що є відношенням площ перерізів камери змішення і насадка, виражає основну умову геометричної подібності гідроелеваторів. З літературних джерел відомо, що відношення площ перерізів камери змішення і насадка чинить визначальний вплив на характеристики гідроелеваторів. Більшість авторів називають цей параметр модулем і означають - m. Зазвичай камера і насадок мають круглий переріз. В цьому випадку комплекс може бути представлений у виді:

(5)

де d_к - діаметр камери змішення;

d_н- діаметр насадка.

Безрозмірний комплекс є вираженням кінетичної подібності на вході в камеру змішення. Співвідношення швидкостей робочого і такого, що транспортується потоків визначає процес їх перемішування в камері. Цей критерій може бути виражений через параметри, що характеризують робочий режим і відносний геометричний розмір гідроелеватора:

(6)

де Q₂ - подача гідроелеватора;

Q₁ - витрата робочої води;

- коефіцієнт подачі гідроелеватора.

Представлений у такому вигляді критерій має цілком певний фізичний сенс - це коефіцієнт подачі, що доводиться на одиницю площі (відношення площі кільцевого перерізу потоку, що транспортується, на вході в камеру змішення до площі перерізу насадка). Позначимо критерій -

При круглому перерізі насадка параметр можна представити у виді , де ?- кінематичний коефіцієнт в'язкості рідини.

У такому представленні комплекс є критерієм Рейнольдса і виражає гідродинамічну подібність потоків робочої рідини на зрізі насадка. Наявні в літературі дані про вплив цього критерію на характеристики гідроелеватора суперечливі.

Критеріальне рівняння процесу набирає вигляду:

(7)

Використовуючи властивість безрозмірних комплексів (можливість їх перемножування, ділення, піднесення до степеня), можна отримати досить велике їх число. У нашому випадку інтерес представляє добуток першого і другого безрозмірних комплексів .За даними Л.Б. Бермана, для оптимальних режимів роботи гідроелеваторів добуток коефіцієнта напору на модуль дорівнює одиниці. Комплекс показує, що напор гідроелеватора в стільки разів менше напору перед насадком, в скільки площа перерізу камери змішення більше перерізу насадка. Позначимо комплекс і вирішимо критеріальне рівняння відносно нього:

(8)

Для подібних процесів повинна дотримуватися умова: , , .

Встановити зв'язок між отриманими безрозмірними комплексами, а також визначити рахуй критеріїв, що забезпечують подібність, можна експериментальним шляхом.

Коротке зведення отриманих результатів і основні висновки

Для проведення досліджень геометрична форма проточної частини гідроелеватора без дифузора прийнята з урахуванням умов експлуатації на прохідницькому водовідливі і рекомендацій, наведених в літературі. У результаті аналізу розмірностей отримані критерії подібності і критеріальне рівняння робочого процесу в водоструминним вакуумному насосі. Для встановлення функціонального зв'язку отриманих критеріїв, а також числа критеріїв, що забезпечують подобу, необхідно провести експериментальні дослідження гідроелеваторів без дифузора.

ЛІТЕРАТУРА

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