Работа 11. Определение коэффициента расхода воздуха

Цель работы: закрепление навыков по измерению депрессии, изучение методики и получение навыков экспериментального определения коэффициента расхода воздуха.

Общие сведения

Для определения количества воздуха Q, проходящего по выработке, необходимо измерить среднюю скорость движения воздуха v в поперечном сечении выработки и площадь этого сечения S. Тогда Q = v S. Известно, что скорость движения воздуха в разных точках поперечного сечения выработки различна: она минимальна по периметру сечения, где движению воздуха препятствует сопротивление стенок и крепи выработки (трение, лобовое сопротивление, вихреобразование) и максимальна в центре поперечного сечения, где влияние сопротивления стенок и крепи минимально. Поэтому для более достоверного определения средней скорости приходится измерять скорость в возможно большем числе точек поперечного сечения и усреднять результаты этих замеров.

При автоматическом контроле расхода воздуха в шахтах, а также при проведении экспериментов на лабораторных установках измеряется скорость движения воздуха в одной точке (v_т). В зависимости от положения этой точки в сечении выработки скорость v_т может быть больше или меньше средней скорости v. Поэтому, чтобы определить расход воздуха по скорости v_т , нужно знать во сколько раз она отличается от средней, т.е. нужно знать коэффициент расхода воздуха К_р = v / v_т . Тогда v = К_р v _т и Q = vS = К_р v _т S.

Коэффициент расхода воздуха для точки сечения, в которой стационарно установлен датчик скорости v _т , можно определить, если известен расход воздуха Q в этом сечении:

К_р = Q / v_т S_т (45)

где: S_т – площадь поперечного сечения выработки в месте установки датчика, м²

Определив таким способом однократно значение коэффициента К_р, можно затем постоянно пользоваться им для определения расхода воздуха:

Q = К_р v _т S_т (46)

План работы

1. Изучите общие сведения.

2. Вспомните устройство аэродинамической установки и правила измерения депрессии в ее точках.

3. Подготовьте табл.3.

4. С помощью двух микроманометров или микроманометра и тягомера выполните по три измерения статической депрессии на участке 0-1 (h _{ст 0-1}) и скоростной депрессии

h _ск между точками 7 и 6 (см. работу 2) при разных расходах воздуха. Измерения производите при полностью закрытом шибере 1 и открытом шибере 2; расход воздуха можно изменять шибером 2 или задвижкой вентилятора.

При наличии одного прибора измерения можно выполнять последовательно, т.е. измерить h _{ст 0-1} , затем, не меняя положения шибера 2 (или задвижки вентилятора), измерить h _ск , после чего, прикрыв шибер 2 (задвижку), повторить измерения и т.д.

Исходные данные и результаты замеров занесите в табл.3.

5. Для каждой из трех пар замеров определите:

-скорость движения воздуха в точке 7, т.е. в месте установки датчика – трубки Пито (формула 16);

-количество воздуха Q, проходящего по нижней ветви модели (формулы 22 и 23);

-величину коэффициента расхода воздуха К _р для точки 7 (формула 45; значение S_т = S₇ примите по табл.1);

6. По трем значениям К _р определите среднеарифметическое значение. Разброс значений К _р не должен превышать ±5% от среднего. Значения с большими отклонениями следует отбросить как ошибочные или произвести их повторное измерение и расчет.

7. Исходные данные и результаты замеров и расчетов сведите в табл.15.

8. Оформите и защитите отчет.

Таблица 15

Участок (точки) замера	Вид измеряемой депрессии	Порядковый номер замера	Величина депрессии, мм вод. ст.	Скорость движения воздуха, м / c	Расход воздуха в нижней ветви Q, м/с	Величина коэффициента расхода Кр
V1	Vт
По результатам замеров	Среднеарифметическая
0-1	h ст				- - -	- - -	- - -	- - -
6,7	h ск			- - -

Контрольные вопросы

1. В чем различия статической, полной и скоростной депрессии?

2. Какое давление действует в точках 6 и 7 модели?

3. Чем отличается точка 6 от точки 7?

4. Что выражает коэффициент расхода воздуха?

5. Для чего нужен коэффициент расхода воздуха?

6. Может ли быть коэффициент расхода равным или большим единицы?

7. Как определить среднюю скорость движения воздуха в реальной горной выработке?

8. Как определить коэффициент расхода воздуха в реальной горной выработке?

9. Как и почему будет меняться расход воздуха в нижней ветви модели, если при открытом шибере 2 менять положение шибера 1?

10. Можно ли определить значение К _р на модели по изложенному плану, если расход воздуха в нижней ветви менять шибером 1? Обоснуйте Ваш ответ.

Работа 12. Исследование распределения воздуха
в двухструйном параллельном соединении

Цель работы: закрепить знания о коэффициенте расхода воздуха и его практическом использовании, исследовать распределение воздуха по ветвям параллельного соединения.

Общие сведения

При отсутствии утечек или подсосов воздуха распределение его в двухструйном параллельном соединении (рис.12) подчиняется очевидному закону:

Q = Q₁ + Q₂ (47)

Это элементарное уравнение разрешимо, если известны любые два его члена. Если менять сопротивление одной из ветвей соединения с помощью шибера, выполняющего роль вентиляционного окна, то будет меняться и общий расход воздуха Q за счет изменения общего сопротивления системы выработок, и его распределение по струям (ветвям) Q₁ и Q₂ , причем все эти изменения будут подчиняться закону (47). Например, если полностью перекрыть выработку 2, то Q₂ = 0 и Q = Q₁ ; если уменьшать сопротивление выработки 2 (например, приоткрывать шибер), то Q и Q₂ будут увеличиваться, а Q₁ – уменьшаться, но так, что равенство (47) будет оставаться справедливым.

Рис. 12. Двухструйное параллельное соединение

Поэтому, зная общий расход воздуха Q и расход воздуха в любой из ветвей двухструйного параллельного соединения, можно определить расход воздуха в другой ветви.

План работы

1. Изучите общие сведения.

2. Вспомните устройство аэродинамической установки и правила измерения депрессии в ее точках.

3. Подготовьте табл.3.

4. Исследуйте распределение воздуха при изменении сопротивления нижней ветви. Для этого выполните следующие действия.

4.1. С помощью двух микроманометров или микроманометра и тягомера одновременно измерьте статическую депрессию на участке 0-1 и скоростную депрессию между точками 7 и 6 при полностью открытом шибере 1 и пяти различных положениях шибера 2. В первом положении шибер 2 должен быть полностью закрыт; при этом по нижней ветви воздух не пойдет (при отсутствии подсосов) и h _{с к 7-6} = 0; во втором положении шибер 2 должен быть приоткрыт примерно на 10 мм (см. риски на шибере), в третьем – на 20 мм, в четвертом – на 30 мм и в пятом – полностью открыт.

При наличии одного прибора измерения выполняются так, как указано в работе 11.

4.2. Для каждого из пяти положений шибера определите:

-площадь окна S_ок, регулируемую шибером; эта площадь определяется по формуле S_ок = КН, м², где Н – высота подъема шибера над почвой выработки (высота щели), м; К – эмпирический коэффициент; для аэродинамических моделей № 2, 3, 4 К = 0,043; для модели № 1- верхняя ветвь (без крепи) К =0, 050, нижняя ветвь (с крепью) К = 0,045.

-отношение площади окна S_ок к площади S поперечного сечения выработки, в которой установлено окно (шибер); значение S принимается по табл.1;

-количество воздуха, поступающего в модель (формулы 22 и 23);

-скорость движения воздуха в точке 7 v_т = v₇ (формула 16);

-расход воздуха в нижней ветви модели

Q _н = K_р v_т S_т (48)

-величину коэффициента расхода воздуха K_р примите по материалам работы 11; площадь сечения выработки в точке 7 S_т примите по табл.1;

-расход воздуха в верхней ветви модели

Q _в = Q – Q _н (49)

Исходные данные и результаты расчетов занесите в табл. 16.

Таблица 16

Номер регулирующего шибера	Отношение Sок / S	h ст 0-1 мм вод. ст.	h ск 7-6 мм вод. ст.	V1, м / с	V7, м / с	Q м3 / c	Q н м3 / c	Q в м3 / c
	. . .

Результаты измерений и расчетов расхода воздуха изобразите графически (рис. 13).

5. Исследуйте распределение воздуха при изменении сопротивления верхней ветви. Для этого выполните те же действия, измерения и расчеты, что и в пункте 4, но расход воздуха регулируйте шибером 1. Начинайте измерения при полностью открытом шибере 2 и полностью закрытом шибере 1.

6. Оформите и защитите отчет.

Рис. 13. Распределение воздуха в двухструйном соединении

Контрольные вопросы

1. Что такое депрессия?

2. От чего зависит величина статической депрессии?

3. Чем отличается точка 7 модели от точки 6?

4. Какое давление действует в точках 6 и 7 модели?

5. Что такое скоростная депрессия?

6. Скорость движения воздуха в точке 7 больше или меньше средней по сечению и почему?

7. Как определить среднюю скорость движения воздуха в любом сечении модели?

8. Что выражает коэффициент расхода воздуха?

9. Какие значения может принимать коэффициент расхода воздуха: равные единице, больше или меньше ее?

10. Как определить расход воздуха в коллекторе, в верхней и в нижней ветви модели?

11. Как и почему меняется количество воздуха, поступающего в коллектор модели при изменении положения шибера?

12. Если полностью открыты оба шибера, то по какой ветви (верхней или нижней) проходит большее количество воздуха?

Работа 13. Определение аэродинамических
параметров модели

Цель работы: закрепление навыков измерения депрессии, практическое определение аэродинамических параметров системы выработок, изучение взаимосвязи между ними, построение аэродинамической характеристики сети выработок.

Общие сведения

К основным аэродинамическим параметрам выработки или сети выработок относятся: расход воздуха Q, депрессия h, расходуемая на преодоление всех видов сопротивления сети выработок движению воздуха ( h = h _сопр), сопротивление этой сети R, эквивалентное отверстие А, пропускная способность К, вентиляционная (аэродинамическая) характеристика, полезная мощность N, затрачиваемая на проветривание. Размерность названных параметров в зависимости от принимаемой системы единиц указана в табл.2.

На действующей шахте или на модели параметры Q и h можно измерить. Тогда остальные параметры могут быть получены расчетным путем по следующим формулам:

R = h / Q ² ; (50)

A = 1,19 Q / h ^0,5 (если h выражено в Па) ; (51)

A = 0,38 Q / h ^0,5 (если h выражено в мм вод. ст.) ; (52)

K = Q / h ^0,5 ; (53)

N = Q h (54)

При проектировании вентиляционной сети определяют расчетным путем параметры Q и R и по ним рассчитывают остальные параметры:

h = R Q ² ; (55)

A = 1,19 / R ^0,5 (если R выражено в H с ² / м ⁸ (56)

A = 0,38 / R ^0,5 (если R выражено в кгс с ² / м ⁸ , т.е. в кμ); (57)

K = 1 / R ^0,5 ; (58)

N = h Q = R Q ³ ; (59)

Характеристика выработки или системы выработок представляет собой график зависимости депрессии от расхода воздуха, т.е. h = ƒ(Q).

Для выработки (или системы выработок) с турбулентным движением воздуха и известным сопротивлением R характеристика строится следующим образом: в уравнение h = RQ² подставляют произвольные значения Q и вычисляют соответствующие им значения h, полученные результаты изображают графически (см. рис.14).

Объектом исследования в этой работе служит вся система выработок модели от входа в модель (точка 0) до точки 8.

Уравнение Бернулли (8) применительно к участку 0-8 можно представить в виде

h _{с т 0-8} + h _{с к 0-8} = h _{с о п р 0-8} = h; (60)

Это уравнение служит исходным для расчета аэродинамических параметров модели.

План работы

1. Освежите теоретические знания об аэродинамических параметрах горных выработок.

2. Изучите общие сведения к работе.

3. Подготовьте табл.3.

4. Исследуйте верхнюю ветвь модели. Для этого при полностью закрытом шибере 1 и полностью открытом шибере 2 одновременно (двумя приборами) или последовательно (одним прибором) измерьте статическую депрессию на участках 0-1 h _{с т 0-1} и 0-8

h _{с т 0-8} . Исходные данные и результаты замеров занесите в табл.3.

5. Исследуйте нижнюю ветвь модели. Для этого при полностью закрытом шибере 2 и полностью открытом шибере 1 одновременно (двумя приборами) или последовательно (одним прибором) измерьте статическую депрессию на участках 0-1 h _{с т 0-1} и 0-8 h _{с т 0-8}. Исходные данные и результаты замеров занесите в табл.3.

6. Исследуйте модель в целом (обе ее ветви). Для этого измерьте статическую депрессию на участках 0-1 h _{с т 0-1} и 0-8 h _{с т 0-8} , а также скоростную депрессию h _{ск 7-6} в точках 6 и 7. При этих измерениях оба шибера 1 и 2 должны быть полностью открыты и воздух должен двигаться по обеим ветвям. Результаты измерений также занесите в табл.3.

7. Для верхней, нижней ветви и модели в целом по результатам выполненных в пунктах 4, 5, 6 замеров определите:

-количество воздуха Q, поступающего в коллектор модели (формулы 22 и 23);

-среднюю скорость движения воздуха в сечении, где расположена точка 8 (формула 28);

-величину скоростной депрессии h _{ск 0-8} на участке 0-8 (формула 41);

-полную величину депрессии h на участке 0-8 (формула 60).

8. Для двухструйного параллельного соединения, когда открыты оба шибера (см. пункт 6) определите:

-скорость движения воздуха в точке 7 (формула 16);

-расход воздуха в нижней ветви модели (формула 48);

-расход воздуха в верхней ветви модели (формула 49);

9. Выберите систему единиц и по формулам (50) – (54) рассчитайте значения аэродинамических параметров для верхней, для нижней ветви и для всей модели в целом. Проконтролируйте правильность выполненных расчетов по формулам (55) – (59).

10. Исходные данные и результаты расчетов сведите в табл. 17.

11. Постройте аэродинамические характеристики верхней ветви, нижней ветви, модели в целом (рис. 14).

12. Нанесите точки режимов работы вентилятора при работе на каждую ветвь и модель в целом (точки А, Б, В рис.14). Соединив их, построите характеристику вентилятора (кривая 4 рис.14)

Таблица 17

Исследуемый объект модели	Величина депрессии	Аэродинамические параметры
h ст 0-1	h ск 6-7	h ст 0-8	h ск 0-8	h	Q	R	A	K	N
Верхняя ветвь						Q в
Нижняя ветвь						Q н
Модель в целом						Q

13. Оформите и защитите отчет.

Рис. 14. Характеристика верхней ветви (1), нижней (2), модели в целом (3) и вентилятора (4); А,Б,В - режимы работы вентилятора.

Контрольные вопросы

1. Какие виды сопротивления учитывает показатель R?

2. От каких факторов зависит величина сопротивления R?

3. Каковы причины различия величины сопротивления модели и ее ветвей?

4. Каковы причины различия расхода воздуха в модели в целом и в ее ветвях?

5. Что такое эквивалентное отверстие и что оно характеризует?

6. От каких факторов зависит величина эквивалентного отверстия?

7. Что характеризует пропускная способность выработок?

8. Чем обусловлено различие величины депрессии h в ветвях модели?

9. Что такое характеристика выработки или сети выработок?

10. Как и почему будет меняться расход воздуха на входе в модель и в ее ветвях, если прикрывать шибер 2?

11. Чем отличаются характеристики верхней, нижней ветви и модели в целом?

12. Как можно менять сопротивление модели в целом и ее ветвей?

13. Как меняется крутизна характеристики при увеличении сопротивления выработок?

14. Как зависит расход энергии на проветривание от сопротивления шахты; от величины эквивалентного отверстия; от пропускной способности?

15. Объясните различие знаков скоростной депрессии h _{ск 7-6} и h _{ск 0-8}.