Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Горные машины

Диссертационная работа:

Дмитриев Владимир Трофимович. Обоснование и выбор энергосберегающих параметров функционирования шахтных компрессорных установок : дис. ... д-ра техн. наук : 05.05.06 Екатеринбург, 2006 226 с. РГБ ОД, 71:07-5/141

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШАХТ
НЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК И ОБОСНОВАНИЕ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ 16

  1. Исследование и анализ эффективности работы шахтных компрессорных станций Урала 16

  2. Обоснование повышение степени сжатия газа в одноступенчатом поршневом компрессоре 22

  3. Исследование влияния скорости движения поршня

в цилиндре компрессора на удельный расход электроэнергии 27

1.4. Теплообразование при сжатии газа 33

1.5. Оценка работы поршневых компрессорных машин 37

Выводы по разделу 42

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОН
СТРУКЦИЙ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ
УСТАНОВОК 44

  1. Конструктивные особенности и сравнительные характеристики клапанов кольцевых и ПИК 44

  2. Теоретические положения для разработки новых конструкций клапанов ; 49

  3. Краткая характеристика клапанов СГИД, СГИЦ и

СГИК 55

2.4. Теоретическое обоснование параметров седел клапа
нов СГИД 65

2.5. Теоретическое обоснование параметров седел клапа
нов СГИЦ 72

2.6. Обоснование основных параметров клапанов СГИК 78

Выводы по разделу 82

3. ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБОТАННЫХ КЛАПАНОВ 84

  1. Исследования влияния толщины замыкающих органов клапанов СГИД и СГИЦ на технико-экономические параметры компрессора 84

  2. Исследования оптимальной скорости истечения газа

в клапанах СГИД и СГИЦ 91

  1. Теоретическое и экспериментальное обоснование натяга пружин клапанов СГИД и СГИЦ 97

  2. Исследование аэродинамических характеристик клапанов СГИД 111

  3. Исследование удельных утечек воздуха в клапанах

СГИД 115

3.6. Исследование влияния различного расположения кла
панов СГИД в гнезде на технико-экономические показатели ра
боты компрессора 124

Выводы по разделу 130

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ
КОМПРЕССОРОВ С КЛАПАНАМИ РАЗЛИЧНЫХ КОНС
ТРУКЦИЙ 132

  1. Критерии сравнительной оценки воздухораспределительных органов поршневых компрессоров 132

  2. Повышение надежности компрессорных установок 134

  1. Исследование влияния клапанов различных конструкций на технико-экономические показатели работы компрессоров 141

  2. Ведомственные испытания воздухораспределительных органов поршневых компрессоров 149

Выводы по разделу 153

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СХЕМ ВКЛЮ
ЧЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК

ПРИ ИХ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ 155

  1. Анализ функционирования существующих схем параллельного включения однотипных турбокомпрессорных установок 155

  2. Анализ параллельной работы турбокомпрессорных установок, имеющих различные рабочие характеристики 157

  3. Компоновочные схемы включения турбокомпрессоров при параллельной работе на одну сеть и их расчет 160

Выводы по разделу 166

6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШАХТНЫХ
ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 167

  1. Исследование влияния гидропневматического аккумулятора на работу приемников сжатого воздуха 167

  2. Исследование влияния гидропневматического аккумулятора на наличие влаги в сжатом воздухе 172

  3. Разработка схем гидроизоляции гидропневматических аккумуляторов сжатого воздуха 178

  4. Разработка системы повышения внутренней энергии сжатого воздуха непосредственно перед его использованием 181

6.5. Технико-экономическое обоснование применения
гидрокомпрессора 184

Выводы по разделу 189

7. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ СЖАТОГО ГАЗА 190

  1. Оптимальный процесс сжатия газа при утилизации термодинамического тепла 190

  2. Эффекты «теплового насоса» при сжатии и расширении газа 197

7.3. Разработка схем утилизации тепловой энергии сжатых
газов 202

Выводы по разделу 206

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 207

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 211

ПРИЛОЖЕНИЕ А 221

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 223

ПРИЛОЖЕНИЕ В 224

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 225

Введение к работе:

Горнодобывающие отрасли являются основополагающей базой всей промышленности России.

Добыча многих полезных ископаемых (руда, уголь и т. д.) производится с использованием энергии сжатого воздуха. Последнее объясняется тем, что машины, работающие на этой энергии, имеют высокую производительность, надежны в работе, конструктивно просты, сравнительно не дорогие и обеспечивают высокую безопасность труда.

Энергия сжатого воздуха нашла применение при бурении шпуров и скважин, при погрузке полезного ископаемого и его транспортировании, проветривании выработок (в качестве привода вентиляторов), в процессах закладки и т. д.

Вследствие широкого применения поршневых компрессорных машин во всех областях промышленности и их большим энергопотреблением, они всегда находятся в центре внимания как отечественных, так и зарубежных исследователей.

В первую очередь следует отметить труды академиков Федорова М. М., Германа А. П., Доллежаля Н. А., чл.-кор. Академии наук Ильичева А. С, которыми внесен значительный вклад в развитие теории охлаждения компрессорных машин, воздухораспределение, расчет бурильных молотков и пневматических сетей.

Труды докторов техн. наук Фролова П. П., Кабакова А. Н., Докукина А. В., Смородина С. С, Киселева В. Н., Мурзина В. А., Цейтлина Ю. А., Моисеева Л. Л., Баранникова Н. М., Носырева Б. А., Закирова Д. К., Бороховича А. Н., Рыбакова А. Н., Парфенова В. П., Брусиловского И. В., Миняева Ю. Н. и др. способствовали повышению эффективности работы не только компрессорных установок, но и всего рудничного компрессорного хозяйства в целом.

В области создания и совершенствования воздухораспределительных органов поршневых компрессоров - клапанов - особое место занимают работы докторов техн. наук Френкеля М. И, Дмитриевского В. А., Кондратьевой Т. Ф., Карпова Г. В., Пирумова И. Б., Фотина Б. С, Шелеста П. А., Бараховича А. И., Бабаяна С. А., Беркмана Б. А., Фролова А. П., Шапиро М. Б., Колбасова М. Г., Спектра Б. А. и многих др. исследователей.

Анализ трудов перечисленных выше ученых и сорокалетний опыт автора по исследованию компрессорных станций шахт и заводов показывают на значительные резервы экономии электрической энергии при производстве и транспортировке сжатого воздуха. Так, обычно производительность компрессорных машин ниже паспортной на 15 -20 %, а расход электрической энергии на 1 м сжатого воздуха выше нормы на 15 - 25 %.

Низкие технико-экономические показатели функционирования шахтных компрессорных установок позволяют сделать

вывод, что часть как теоретических проблем, так и практических задач, связанных с их работой, решены не полностью.

Так до настоящего времени нет достаточного обоснования определения оптимальной степени сжатия газа в одноступенчатом компрессоре [1, 2], нет научных доказательств, подтверждающих, что повышение внутренней энергии сжатого воздуха происходит за счет скорости движения поршня, отсутствуют теоретические работы, связанные с определением оптимальной скорости движения поршня.

Существующие воздухораспределительные органы поршневых компрессоров не полностью отвечают требованиям, предъявляемым к ним.

Применяемые компоновочные схемы при параллельной работе турбокомпрессорных машин резко снижают их технико-экономические показатели.

Кроме того, в недостаточной степени разработаны вопросы, связанные с гидроизоляцией пневмогидроаккумуляторов, их влиянием на работу потребителей сжатого воздуха и проблемы, связанные с утилизацией тепловой энергии сжатого воздуха.

Приведенная исходная информация по теме исследований показывает, что теоретическое обоснование поставленных задач и практическое их решение является актуальной проблемой, т. к. повышает эффективность функционирования шахтных компрессорных установок.

Связь темы диссертации с государственными программами

Данная работа выполнялась в соответствии с коорди
национными планами Минвуза РСФСР, ГКНТ при СМ СССР в
рамках комплексной научно-технической программы «Надежность
конструкций» (приказ № 659 от 13.11.81. Минвуза РСФСР) и
госбюджетной темы «Развитие теории прогноза технического
состояния и надежности сложных механических систем горного
оборудования», утвержденной на 1999 - 2001 гг. в соответствии с
тематическим планом Министерства образования

(раздел 06.02. «Наука», № гос. per. 01990010840).

Объект исследования. Шахтные поршневые и турбокомпрессорные установки, их компоновка и узлы, гидропневмоаккумуляторы.

Цель работы. Научное обоснование рациональных параметров функционирования шахтных компрессорных установок, обеспечивающих повышение их эффективности посредством модернизации конструкции, оптимизации процессов сжатия воздуха и повышения КПД пневматических сетей.

Идея работы. Заключается в использовании комплексного подхода к исследованиям функционирования шахтных компрессорных установок, состоящего в выявления слабых звеньев и изучении процессов их изменения до предельного состояния, отражающих закономерности появления отказов.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные (промышленные и лабораторные) методы исследования, базирующиеся на классических законах математики и физики.

Научные положения, выносимые на защиту:

  1. Закономерности появления отказов шахтных компрессорных установок, деформационные процессы, протекающие в элементах и материалах за время их эксплуатации.

  1. Научно обоснованные зависимости, связывающие расход энергии, потребляемой компрессором, с интервалом времени, за который совершаются работы всасывания, сжатия и нагнетания.

3.Теоретически обоснованное определение механического КПД компрессорной машины без использования индикаторной мощности.

4. Обоснование процессов сжатия воздуха в поршневом одноступенчатом компрессоре до давления 0,8-f0,9 МПа.

5.Комплексные критерии сравнительной оценки клапанов компрессорных установок.

  1. Взаимосвязь конструктивно-технологических параметров прямоточных клапанов с условиями их эксплуатации.

  2. Компоновочные схемы турбокомпрессорных установок при их параллельной работе.

  3. Эффекты «теплового насоса» при сжатии и расширении воздуха и их использование для повышения эффективности работы компрессорных установок.

Научная новизна.

Предложен метод оценки функциональной эффективности работы шахтных компрессорных установок, и определены рациональные процессы сжатия воздуха, позволяющие производить сжатие газа в одноступенчатой машине, работающей без подачи смазки в цилиндр до 0,8-^0,9 МПа.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость расхода энергии при совершении работы поршнем от величины интервала времени, за который данный объем работы произведен.

Исследованы физико-технические закономерности появления отказов (разрушения) слабых звеньев компрессорных установок за время их эксплуатации в широком интервале механических и тепловых воздействий.

Проведено обоснование конструктивно-технологических параметров клапанов как наиболее слабого звена поршневых компрессорных установок, учитывающих условия их эксплуатации.

Получены аналитические выражения, описывающие скорость движения поршня в цилиндре, и определена оптимальная скорость, которая обеспечивает минимальные объемные и аэродинамические потери при процессах всасывания, сжатия и нагнетания.

Предложены комплексные критерии сравнительной оценки воздухораспределительных органов компрессорных машин,

учитывающие технико-экономические показатели их функционирования.

Обоснованы параметры компоновочной схемы турбокомпрессорных установок при их параллельной работе.

Выявлены эффекты «теплового насоса» при сжатии и расширении сжатого воздуха.

Практическое значение работы.

Разработана методика оценки функционирования шахтных поршневых компрессорных установок, позволяющая определять потери энергии в цилиндре компрессора без снятия индикаторных диаграмм.

Показано, что сжатие воздуха в одной ступени компрессора (работающего без смазки) можно производить до давления 0,8*0,9 МПа. Это позволяет использовать двухступенчатые поршневые компрессоры общего назначения для получения давления на нагнетании до 1,2*1,4 МПа, что в буровых машинах приводит к резкому возрастанию скорости бурения шпуров.

Установлена оптимальная скорость движения поршня в цилиндре компрессора, обеспечивающая снижение как объемных, так и аэродинамических потерь при процессах всасывания, сжатия и нагнетания воздуха.

Разработаны и защищены авторскими свидетельствами и патентами конструкции прямоточных клапанов различных типов для поршневых компрессорных машин.

Разработана компоновочная схема турбокомпрессорных установок при их параллельном включении, позволяющая повысить их эффективность.

Исследовано влияние гидропневмоаккумуляторов на работу потребителей сжатого воздуха и предложены схемы их гидроизоляции в трещиноватых породах.

Разработан способ охлаждения поршневого компрессора, который основан на работе абсорционно-диффузионной машины, превращающей тепловую энергию сжатого воздуха на нагнетании в холод.

Предложена конструкция гидрокомпрессора, у которого функции поршня выполняет жидкость. Гидрокомпрессор работает без смазки, процесс сжатия идет близко к изотермическому, он пожаровзрывобезопасен и рекомендован для использования в подземных выработках шахт.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований функционирования поршневых компрессорных машин, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа с экспериментальными данными и промышленными испытаниями, а также статистической обработкой результатов экспериментальных и теоретических исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 % с доверительной вероятностью 0,95.

Реализация выводов и рекомендаций.

Основные научные положения работы доведены до промышленного внедрения как в горнорудной, так и в других отраслях промышленности. Клапаны СГИ внесены в отраслевой стандарт угольной промышленности СССР (ОСТ 12.25.011-84 «Экономия электрической энергии на угольных шахтах») и внедрены на газомотокомпрессорах типа 10ГК1/23-42, 10ГКН1/16-40 (Мингазпром) и 5Г-100/8,4М10-100/8 (Минуглепром).

По рекомендациям ВНИИГМ им. М. М. Федорова на Горловском рудоремонтном заводе (г. Горловка, Украина) было изготовлено и отправлено на шахты Донбасса свыше 13 тыс. клапанов СГИ. За период 2004 - 2005 гг. предприятием ООО ТД «Уральский завод новых технологий» налажено массовое производство клапанов типа СГИД и их выпущено более 3000 штук. (прил. А).

Годовой экономический эффект от внедрения такого количества клапанов типа СГИД составляет 4000 000 рублей (Приложение Б).

Основные научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УГГУ при подготовке студентов по специальности 150402 - «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на научно-техническом совете СГИ (Свердловск, 1996), научно-технических конференциях ОАО

«Севуралбокситруда» (Североуральск, 1999, 2002), совещании ОАО «Уралгипроруда» (Екатеринбург, 2004), совещаниях энергетиков и механиков ОАО «Севуралбокситруда» (Североуральск, 2003), научно-технических конференциях Уральского государственного горного университета ((Екатеринбург, 2003, 2004, 2005), II Международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию кафедры ГМК УГГГА (Екатеринбург, 2004) и IV Международной конференции, посвященной 90-летию В. Р. Кубачека. 15 - 16 мая 2006 (Екатеринбург).

Подобные работы
Григорьев Александр Сергеевич
Обоснование и выбор параметров продавливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций
Абдуазизов Набижон Азаматович
Обоснование и выбор параметров системы "гидробак-охладитель" гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна
Гаврилова Людмила Анатольевна
Обоснование и выбор параметров и структуры спуско-подъемного комплекса установок для ремонта глубоких скважин
Бродский Григорий Семенович
Обоснование, выбор параметров и разработка систем фильтрации рабочих жидкостей для гидрофицированных горных машин
Степанов Борис Львович
Обоснование и выбор параметров дугового грохота для разделения гранитного сырья
Козлов Валерий Владимирович
Обоснование и выбор параметров выемочно-доставочной подсистемы агрегата для тонких пластов, обеспечивающих эффективную погрузку угля
Мананников Петр Николаевич
Обоснование и выбор параметров нагревательных плит шахтных переносных вулканизационных прессов с целью снижения неравномерности температурного поля
Сайдаминов Исохон Абдулфайзович
Обоснование и выбор параметров средств температурной адаптации гидрообъемных трансмиссий карьерного оборудования
Кузиев Дильшад Алишерович
Обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна
Выскребенец Александр Степанович
Обоснование и выбор параметров дробильно-измельчительного комплекса для углеродистого сырья на базе способа динамического самоизмельчения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net