Способ определения аэродинамического сопротивления воздуховода

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 E 21 F 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

h = Ванак, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4673850/03 (22) 03.04.89 (46) 23.03,92. Бюл. М 11 (71) Красноярский институт цветных металлов им, М.И.Калинина (72) B.Н.Сатаров и А.В.Сатаров (53) 622.452 (088.8) (56) Ушаков К.З. Рудничная вентиляция, M.:

Недра, 1988, с.65 — 102.

Ушаков К.З. и др. Аэрология горных предприятий. М,; Недра, 1987, с.94 — 112, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЗДУХОВОДА (57) Изобретение относится к горной промышленности и м.б. использованодля определения сопротивления горных выработок и

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 сопротивлений. 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, „„Я „„1721258 А1 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 (ЛС). Вычисляют сумму СТ, МС и ЛС. Затем с помощью формулы вычисляют

АДС утечек воздуха. При нагнетании величину АДС утечек вычитают иэ суммы СТ, МС и ЛС, и при реверсировании, т.е, при всасывании, к сумме СТ, МС и ЛС прибавляют

АДС утечек.

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 где R =a LP/S — сопротивление выработки; а — коэффициент сопротивления трения;

L — длина выработки;

1721258

P u S — периметр и площадь поперечного сечения выработки;

QH — расход воздуха в начале выработки;

Q» — расход воздуха в конце выработки. воздуховодах с проницаемыми стенками и закона сохранения энергии.

При движении потока в твердых грани50

55 цах 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 доОднако выражение (1) дает различные числовые значения величины сопротивления в условиях одной и той же выработки при различных способах создания давле- 10 ния. Например, на участке вентиляционного штрека длиною 100 м, закрепленного анкерной крепыш, измеренная потеря давления составила 40 Па при нормальном режиме проветривания шахты всасывающим 15 способом. Расход воздуха в начале участка составлял 21 м /с, а в конце-35 м /с. После з реверсирования вентилятора главного проветривания на нагнетание воздуха в шахту и установившегося режима движения воз- 20 духа потеря давления на том же участке составила 15 Па, а расход воздуха по направлению движения струи — 25 и 17,5 м /с з соответственно. Таким образом, согласно формулы (1) сопротивление участка выра- 25 ботки в случае всасывающего способа проветривания равно 0,054 Па с /м, а при

2 6 нагнетательном режиме вентиляции оно составляет 0,034 Па с /м . В действительно. г 6 сти, при одинаковой шероховатости 30 поверхностей штрека в обоих направлениях сопротивление должно быть одинаковым при любом расходе воздуха.

Целью изобретения является повышение точности определения аэродинамиче- 35 ского сопротивления воздуховода за счет учета аэродинамического сопротивления утечек в нем при различных способах создания давления.

Поставленная цель достигается выявле- 40 нием новой составляющей силы сопротивления, свойств заявленного способа, обусловленных наличием указанного признака, по сравнению со свойствами известных устройств, на основе обобщенного 45 представления об аэромеханике потока в — ч dx, Р (>I) 2

S 2 (2) где Р1, Рг — давление в начале и конце воздуховода, Па;

P — периметр поперечного сечения воздуховода, м;

S — площадь поперечного сечения воздуховода, мг;

P — коэффициент трения, зависящий от шероховатости стенок; р плотность воздуха, кг/м; з.

V — средняя по сечению скорость движения воздуха в воздуховоде на расстоянии х от ее начала, м/с;

Ч1, V2 — средняя по сечению скорость движения воздуха в начале и конце воздуховода соответственно, м/с. полнительные 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

1721258

Н = vl vz (3) (4) LP + + о 3 2 82 (7) На длине рабочего участка наиболее вероятное значение скорости движения воздуха при постоянной площади поперечного сечения воздуховода равно

После замены переменных, интегрирования выражения (2) и обозначения отношения Ч1/Ч2=r при Ч1< Ч2 получим

Р1- Р2+ v)(2 — 1 ) =

0&2 Р . „1

Характеризуя совокупное воздействие

j3 и р на поток одной величиной, — коэффициентом сопротивления трения а, получим

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 Ч2/I/1 = r при V1> Чг и соответствующих преобразований получим

h= (a Р (+ +)Q2 (6) 3 2 2

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

sy = 1, аэродинамическое сопротивление

55 утечек равно нулю. Влияниеаэродинамического сопротивления утечек на общее сопротивление воздуховода в зависимости от того поступает воздух в воздуховод 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 неплотности — уменьшается, при этом относительные утечки воздуха также будут меньше.

Предлагаемый способ характеризует с помощью математического выражения (7) взаимосвязь физических величин способа— расходов воздуха, его плотности и площади поперечного сечения воздуховода, Способ осуществляется следующим образом, Обычным приемом измеряют расход воздуха в начале и конце рабочего участка воздуховода, его длину, площадь поперечного сечения и периметр, давление и температуру воздуха.

По измеренным параметрам определяют плотность воздуха, отношение меньшего расхода воздуха к большему, аэродинамическое сопротивление утечек, сопротивление трения, местные и лобовые сопротивления. Общее аэродинамическое сопротивление воздуховода определяют вычитанием из суммы сопротивления трения, местных и лобовых сопротивлений 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 расход воздуха в начале участка меньше расхода воздуха в его.конце, Пример, На участке вентиляционного штрека длиной 100 м, площадью поперечного сечения 7,2 м, периметром 10,8 м расход

2 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.

После реверсирования вентилятора на нагнетание расхода воздуха по направлению движения стоуи составлял соответственно 25 и 17,5 м /с.

Коэффициент аэродинамического сопротивления трения для данного штрека равен 0,0152 Па с /м .

По измеренным данным находим аэродинамическое сопротивление трения Ятр = 0,044 fla с /м

1721258

Вут =

29 ° S2

40

50

Составитель В.Сатаров

Техред М.Моргентал Корректор О.Ципле

Редактор Л. Гратилло

Заказ 937 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Искомые параметры воздуха и сопротивлений составляют: при отсасывании воздуха (нормальный режим проветривания) плотность воздуха p = 1,2 кг/м; з, отношение расходов воздуха = 21/35=

= 0,6; аэродинамическое сопротивление утечек Кут = 0,0123 Па.с /м;

2 6. общее аэродинамическое сопротивление R<- 0,0563 Па с /м;

2 6. при нагнетании воздуха (после реверсирования вентилятора) плотность воздухар= 1,2 кг/м ; з. отношение расхода воздуха =

= 17,5/25= 0,7; аэродинамическое сопротивление утечек Ry = 0,0084 Па с /м; общее аэродинамическое сопротивление Ro=0,0356 Па с /м .

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 28Д больше при нагнетании по сравнению с предлагаемым способом.

Формула изобретения

Способ определения аэродинамического сопротивления воздуховода, включающий измерение расхода воздуха в воздуховоде, средней площади его поперечного сечения, определение плотности воздуха и суммы сопротивлений трения, местного со5 противления и лобового сопротивления, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения аэродинамического сопротивления воздуховодг за счет учета аэродинамического сопротивления

10 утечек в нем, измеряют расход воздуха в начале и конце воздуховода и определяют аэродинамическое сопротивление утечек воздуха в воздуховоде из следующего математического выражения

15 гдеp — плотность воздуха, кг/м; з. ц- отношение меньшего расхода воздуха к большему;

S — средняя площадь поперечного сечения воздуховода, м, при этом при создании разноСти давления нагнетанием полученную величину аэродинамического сопротивления утечек вычитают из суммы сопротивления трения, местных и лобовых сопротивлений, а при создании разности

30 давления всасыванием к указанной сумме прибавляют величину аэродинамического сопротивления утечек,