Способ определения аэродинамического сопротивления воздуховода Советский патент 1992 года по МПК E21F1/00 

Ё

Изобретение относится к горной промышленности и м.б. использовано для определения сопротивления горных выработок и вентиляционных трубопроводов при вентиляции шахт. Цель изобретения -повышение точности определения аэродинамического сопротивления (АДС) воздуховода за счет учета АДС утечек в нем. Для этого измеряют расход воздуха в начале и конце воздуховода и среднюю площадь его поперечного сечения. Определяют плотность воздуха в воздуховоде и сопротивления трения (СТ), местного сопротивления (МС) и лобового сопротивления (Л С). Вычисляют сумму СТ, МС и Л С. Затем с помощью формулы вычисляют АДС утечек воздуха. При нагнетании величину АДС утечек вычитают из суммы СТ, МС и ЛС, и при реверсировании, т.е. при всасывании, к сумме СТ, МС и ЛС прибавляют АДС утечек.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для определения сопротивления горных выработок и вентиляционных трубопроводов при вентиляции шахт.

Известны способы определения сопротивления трения, местных и лобовых сопро- тивлений. Сила аэродинамического сопротивления представляется состоящей из двух составляющих - силы трения и силы давления. Сила давления затрачивается на перераспределение скорости-при наличии в воздуховоде поворотов, сужений, различных предметов, загромождающих сечение. Сила трения зависит от шероховатости воздуховода, его поперечного сечения и длины.

Такое представление силы сопротивления справедливо для плотных воздуховодов,

Шахтные выработки и вентиляционные трубопроводы в большинстве своем являются неплотными воздуховодами. Известен прием определения потери давления в воздуховоде при различных расходах воздуха в начале и конце выработки по формуле

1

ю

ю ел

00

h RQHQk,

0)

где R a LP/S - сопротивление выработки;

а - коэффициент сопротивления трения;

L - длина выработки;

Р и S - периметр и площадь поперечного сечения выработки;

QH - расход воздуха в начале выработки;

QK - расход воздуха в конце выработки.

Однако выражение (1) дает различные числовые значения величины сопротивления в условиях одной и той же выработки при различных способах создания давления. Например, на участке вентиляционного штрека длиною 100 м, закрепленного анкерной крепью, измеренная потеря давления составила 40 Па при нормальном режиме проветривания шахты всасывающим способом. Расход воздуха в начале участка составлял 21 м3/с, а в конце - 35 м3/с. После реверсирования вентилятора главного проветривания на нагнетание воздуха в шахту и установившегося режима движения воздуха потеря давления на том же участке составила 15 Па, а расход воздуха по направлению движения струи - 25 и 17,5 м3/с соответственно. Таким образом, согласно формулы (1) сопротивление участка выработки в случае всасывающего способа проветривания равно 0,054 Па-с2/м6, а при нагнетательном режиме вентиляции оно составляет 0,034 Па С2/мб. В действительности, при одинаковой шероховатости поверхностей штрека в обоих направлениях сопротивление должно быть одинаковым при любом расходе воздуха.

Целью изобретения является повышение точности определения аэродинамического сопротивления воздуховода за счет учета аэродинамического сопротивления утечек в нем при различных способах создания давления.

Поставленная цель достигается выявлением новой составляющей силы сопротивления, свойств заявленного способа, обусловленных наличием указанного признака, по сравнению со свойствами извест- ных устройств, на основе обобщенного представления об аэромеханике потока в воздуховодах с проницаемыми стенками и закона сохранения энергии.

При движении потока в твердых границах воздуховода с проницаемыми стенками имеют место притечки воздуха в выработку или утечки его в наружу, в зависимости от соотношения давления в воздуховоде и за его пределами.

Притечки воздуха возмущают ламинарный пограничный слой в воздуховоде, создают непосредственно у стенок турбулентный пограничный слой. Между ядром потока и пограничным слоем возникают дополнительные силы трения. На приведение турбулентного слоя в движение по направлению потока затрачивается сила давления. Скоростное давление потока создает разрежение у каналов в стенках воздуховода, увеличивается разность давления снаружи и внутри воздуховода, за счет чего возрастают притечки воздуха. Толщина турбулентного пограничного слоя при этом

увеличивается.

В случае, когда давление в воздуховоде больше, чем снаружи, скоростное давление у каналов в стенках уменьшает эту разность давления, соответственно уменьшаются и

утечки воздуха. Ламинарный пограничный слой и прилегающий к нему турбулентный слой частично выходят из воздуховода через каналы в стенках. Сила трения между ядром потока и пограничным слоем уменьшается.

Снижение расхода воздуха и расширение турбулентного ядра потока уменьшают силу давления.

Таким образом, сила сопротивления при движении воздуха в неплотном воздуховоде состоит из двух частей - силы трения и силы давления, и силы аэродинамического трения, зависящей от относительной величины и направления утечек воздуха. Выявленную составляющую силы сопротивления, представляющую сумму силы давления и силы аэродинамического трения, в дальнейшем будем называть аэродинамическим сопротивлением утечек воздуха. При движении воздуха в неплотном воздуховоде и давлении в нем меньше наружного получим

Pi -P2+-f-(v2-v2)

(2)

где PL. PI - давление в начале и конце воздуховода, Па;

Р - периметр поперечного сечения воздуховода, м;

S - площадь поперечного сечения воз- д ухо вода, м2;

ft- коэффициент трения, зависящий от шероховатости стенок;

р- плотность воздуха, кг/м3; V - средняя по сечению скорость движе- ния воздуха в воздуховоде на расстоянии х от ее начала, м/с;

VL V2 - средняя по сечению скорость движения воздуха в начале и конце воздуховода соответственно, м/с.

На длине рабочего участка наиболее вероятное значение скорости движения воздуха при постоянной площади поперечного сечения воздуховода равно

V

После замены переменных, интегрирования выражения (2) и обозначения отношения Vi/V2 7 при Vi V2 получим

Р1-Р2+ -§-v3(-1)

2 S

Характеризуя совокупное воздействие /3 и р на поток одной величиной, - коэффициентом сопротивления трения а, получим

(5)

(а

)Q2p S32t)S2

Из уравнения (2) для случая движения воздуха за счет давления вентилятора, работающего на нагнетание, и разности скоростных давлений на входе и выходе воздуха с рабочего участка, после обозначения отношения Va/Vi rj при Vi N/2 и соответствующих преобразований получим

-«-F-1 - (6)

Таким образом, определяющее уравнение для аэродинамического сопротивления утечек воздуха имеет вид

RyT -

(T-V)P

2г)У

где rj- отношение меньшего расхода воздуха на рабочем участке воздуховода к большему.

Из уравнений (5) и (6) вытекает, что сопротивление неплотного воздуховода состоит из двух частей - сопротивления трения, зависящего от шероховатости стенок и параметров воздуховода, и аэродинамического сопротивления утечек, зависящего от относительной величины утечек, плотности воздуха и площади поперечного сечения выработки. В случае плотного воздуховода, когда ; 1, аэродинамическое сопротивление

утечек равно нулю. Влияние аэродинамического сопротивления утечек на общее сопротивление воздуховода в зависимости от того поступает воздух в воздуховод

5 или выходит из него в виде утечек противоположно. В случае притечек воздуха сопротивление трения увеличивается на величину аэродинамического сопротивления утечек, а при потерях воздуха через

10 неплотности - уменьшается, при этом относительные утечки воздуха также будут меньше.

Предлагаемый способ характеризует с помощью математического выражения (7)

15 взаимосвязь физических величин способа - расходов воздуха, его плотности и площади поперечного сечения воздуховода.

Способ осуществляется следующим об20 разом.

Обычным приемом измеряют расход воздуха в начале и конце рабочего участка воздуховода, его длину, площадь попереч- ного сечения и периметр, давление и тем25 пературу воздуха.

По измеренным параметрам определяют плотность воздуха, отношение меньшего расхода воздуха к большему, аэродинамическое сопротивление утечек, сопротивле30 ние трения, местные и лобовые сопротивления. Общее аэродинамическое сопротивление воздуховода определяют вычитанием из суммы сопротивления трения, местных и лобовых сопротивлений

35 аэродинамического сопротивления утечек воздуха, если расход воздуха в начале участка больше расхода в его конце, считая по направлению движения воздуха, или сложением всех величин сопротивлений, если рас40 ход воздуха в начале участка меньше расхода воздуха в его конце,

П р и м е р. На участке вентиляционного штрека длиной 100 м, площадью поперечного сечения 7,2 м2, периметром 10,8 м расход

45 воздуха при работе вентилятора на всасывание составлял 21 м/с в начале и 35 м /с в конце участка. Атмосферное давление в штреке составляло 98,450 Па, температура воздуха 286 К.

50 После реверсирования вентилятора на нагнетание расхода воздуха по направлению движения струи составлял соответственно 25 и 17,5 м /с. Коэффициент аэродинамического сопро55 тивления трения для данного штрека равен 0,0152 Па-с2/м .

По измеренным данным

аэродинамическое сопротивление ния RTp 0,044 Па -с2/м6.

находим треИскомые параметры воздуха и сопротивлений составляют: при отсасывании воздуха (нормальный режим проветривания)

плотность воздуха р 1,2 кг/м3;

отношение расходов воздуха ; 21/35 0,6;

аэродинамическое сопротивление утечек RyT 0,0123 Па-с2/м6;

общее аэродинамическое сопротивление R0 0,0563 Па -с2/м6;

при нагнетании воздуха (после реверсирования вентилятора)

плотность воздухар 1,2 кг/м3;

отношение расхода воздуха г 17,,7;

аэродинамическое сопротивление утечек RyT 0,0084 Па -с2/м6;

общее аэродинамическое сопротивление RO 0,0356 Па -с2/м6.

Из данных примера видно, что при использовании заявленного способа повышается точность определения сопротивления выработки и давления, необходимого для продвижения требуемого расхода воздуха. Расчетное давление по прототипу на 19% меньше при отсасывании и на 28% больше при нагнетании по сравнению с предлагаемым способом.

Формула изобретения

Способ определения аэродинамического сопротивления воздуховода, включаю0

5

щи и измерение расхода воздуха в воздуховоде, средней площади его поперечного сечения, определение плотности воздуха и суммы сопротивлений трения, местного сопротивления и лобового сопротивления, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности определения аэродинамического сопротивления воздуховода за счет учета аэродинамического сопротивления утечек в нем, измеряют расход воздуха в начале и конце воздуховода и определяют аэродинамическое сопротивление утечек воздуха в воздуховоде из следующего математического выражения

R

ут

( 2 г - S2

.з.

где/о- плотность воздуха, кг/м tj- отношение меньшего расхода воздуха к большему;

S - средняя площадь поперечного сечения воздуховода, м2, при этом при создании разности давления нагнетанием полученную величину аэродинамического сопротив- ления утечек вычитают из суммы сопротивления трения, местных и лобовых сопротивлений, а при создании разности давления всасыванием к указанной сумме прибавляют величину аэродинамического сопротивления утечек.