WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

МОЛОДЦОВ Василий Викторович

ОБОСНОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РУДНИЧНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Уральский государственный горный университет”

Научный руководитель –

доктор технических наук, доцент Миняев Юрий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Рыбин Александр Аркадьевич

кандидат технических наук, Холодников Юрий Васильевич

Ведущая организация - ОАО Институт “Уралгипроруда”,

г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 в Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного горного университета

Автореферат разослан 25 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М.Л.Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В мировой практике добыча горной массы производится в основном буровзрывным способом. Буровые работы ведутся с применением механизмов и станков, использующих сжатый воздух в качестве источника энергии. В подземных условиях сжатый воздух широко используется в других механизмах, ввиду его доступности, простоты конструкции устройств, относительной безопасности по сравнению с электроэнергией и т.д.

Рудничные компрессорные установки (РКУ), генерирующие пневматическую энергию, являются наиболее электроемким оборудованием. Их удельный вес в энергетическом балансе горных предприятий с подземным способом добычи полезного ископаемого составляет значительную долю, для ОАО “Севуралбокситруда” (ОАО “СУБР”) составляет 20 %. Затраты на производство сжатого воздуха в течение последних лет увеличиваются в связи с ростом тарифов на электрическую энергию. Увеличение объемов производства сжатого воздуха и снижение производительности компрессоров ввиду увеличения доли изношенных компрессоров с истекшим сроком эксплуатации также приводят к увеличению затрат.

Учитывая это и перспективы применения пневматической энергии в горнодобывающей промышленности, следует особое внимание уделять снижению затрат на энергоресурсы при производстве сжатого воздуха, в соответствии с современными требованиями энергосбережения.

Цель работы состоит в повышении энергетической эффективности производства и распределения энергии сжатого воздуха.

Идея работы заключается в минимизации потерь энергии при производстве сжатого воздуха и снижении объемов его выработки за счет оптимизации потребления.

Методы исследований. Изучение эффективности эксплуатации действующих РКУ на основе анализа технико-экономических показателей, личных исследований автора в промышленных условиях. Основные теоретические результаты получены с использованием положений термодинамики, теоретической механики и математического анализа.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Реальные термодинамические процессы в компрессоре зависят от фаз (своевременности срабатывания) и динамики газораспределения поршневых компрессоров при закрытии и открытии самодействующих клапанов. Определение методами технической механики компромиссной конструкции клапанов, соответствующей противоречивым условиям обеспечения своевременности закрытия и открытия клапанов.

2. Методика расчета элементов пар трения композитный материал - металл цилиндропоршневой группы компрессоров.

3. Закономерности изменения давления сжатого воздуха, возникающие в процессе неуправляемого расхода сжатого воздуха потребителями.

Достоверность научных положений обоснована:

1) использованием методов статистической обработки экспериментальных данных с использованием современной вычислительной техники и программного обеспечения, применением современной измерительной и регистрирующей аппаратуры;

2) достаточным объемом экспериментальных данных с расхождением не более 10 %;

3) корректностью сделанных допущений при анализе термодинамических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан опытный стенд для испытания клапанов, оборудованный современной измерительной и регистрирующей аппаратурой с использованием компьютерной обработки данных, позволяющий в динамике наблюдать работу клапана в различных режимах. Программное обеспечение позволяет по результатам испытаний определять параметры замыкающего органа клапана применительно к конкретному типу компрессора и месту установки клапана.

2. Применение бессмазочных технологий при эксплуатации поршневых компрессоров обеспечивает безызносную работу цилиндропоршневой группы и уменьшает удельный расход электроэнергии.

3. Экспериментально доказано, что использование преобразователей частоты для регулирования производительности компрессоров позволяет стабилизировать давление сжатого воздуха в сети при минимальном значении, достаточном для технологических нужд. Такая стабилизация давления сжатого воздуха приводит к снижению удельного расхода электроэнергии и уменьшению потребления сжатого воздуха потребителями.

Практическое значение представленной работы состоит в следующем:

1. Внедрен (впервые в России) преобразователь частоты для регулирования скорости вращения приводного синхронного двигателя поршневого компрессора, имеющего неуравновешенные движущиеся массы.

2. Обоснованы направления внедрения энергосберегающих технологий, позволяющих, кроме экономии электроэнергии и ресурсов, повысить безопасность производства и улучшить условия труда.

3. Разработана двухэтапная программа энергосбережения при производстве сжатого воздуха.

Реализация рекомендаций и выводов работы в промышленности заключается во внедрении таких разработок на шахтах ОАО “Севуралбокситруда”, как:

прямоточные клапана СГИ;

перевод поршневых компрессоров на режим работы без смазки;

регулирование производительности поршневых компрессоров с помощью преобразователей частоты.

Экономический эффект от вышеуказанных внедрений в 2007 году составил 6,5 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на ежегодном международном симпозиуме “Неделя горняка” (Москва, 2006, 2007); на всероссийских совещаниях по энергосбережению (Екатеринбург, 2005, 2006); на ежегодных научно-технических конференциях СГИ-УГГГА-УГГУ (Екатеринбург, 2005, 2006, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 140 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований по научной проблеме энерго- ресурсосбережения при производстве сжатого воздуха.

В первой главе осуществлен аналитический обзор производства сжатого воздуха и эксплуатации компрессоров разных типов. Проанализированы результаты исследования работы системы “рудничная компрессорная установка (РКУ) – пневматическая сеть – потребитель сжатого воздуха”, использующей энергию сжатого воздуха.

Вопросам производства и применения пневматической энергии в XX веке было посвящено много работ. Начало формированию научных разработок в области шахтных компрессорных установок положили работы академиков М. М. Федорова и А. П. Германа. Дальнейшее развитие конструкций компрессорных установок связано с работами члена-корреспондента АН СССР А. С. Ильичева, результаты которых нашли отражение в его фундаментальном труде “Рудничные пневматические установки”.

Большой вклад в развитие теории и практики шахтных пневматических установок внесли российские профессора А. В. Докукин, С.С. Смородин, Д. Л. Гарбуз, В. А. Мурзин и Ю. А. Цейтлин, П. П. Фролов, Г. П. Герасименко, Н. М. Баранников, Б. А. Носырев.

Следует отметить монографию Френкеля М. И., где отражены теория, конструкции и основы проектирования поршневых компрессоров, а также монографию Пластинина П.И. “Поршневые компрессоры”.

Научно-исследовательские и практические разработки, связанные с повышением эффективности эксплуатации поршневых компрессорных установок путем совершенствования системы воздухораспределения, отражены в работах Френкеля М. И., Фролова П. П., Кондратьевой М. И., Фролова А. П. Дмитриева В. Т., Дубинина М. П.

Совершенствованию системы смазки поршневых компрессоров посвящены работы Завойко А. М., Закирова Д. Г. и Рыбина А. И., Коваленко В.А., Мартынова Н.В. и Булыгина А. С., Славина И. Ю., Тимощука А. С., Хрисановой Л. Б., Дурова В.С., Невейкина В.Ф. и Саполькова Ю.И.

Вопросам транспортирования сжатого воздуха, отражающим теорию и основы проектирования, посвящены работы Мурзина В.А. и Цейтлина Ю.А., Кузнецова Ю. В. и Кузнецова М. Ю., Миняева Ю.Н.

Вопросам оптимизации режимов работы компрессорных станций горных предприятий и уменьшению энергоемкости производства сжатого воздуха посвящены работы Л. Л. Моисеева, Кобелева Н. С., Миняева Ю.Н., Закирова Д. Г. Рыбина А. И., Кузнецова Ю. В. В диссертации использованы научные разработки Уральского государственного горного университета.

Анализ различных источников (книги, статьи, отчеты по НИР) показал, что отсутствует комплекс аналитических исследований энергосберегающих технологий при производстве сжатого воздуха РКУ на основе последних достижений науки и техники. В работе проведены исследования способов повышения энергоэффективности при производстве сжатого воздуха.

В соответствии с поставленной в работе целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:

- модернизация системы воздухораспределения поршневых компрессоров;

- повышение эффективности системы смазки цилиндропоршневой группы компрессоров;

- внедрение преобразователей частоты (ПЧ) для привода компрессоров.

Во второй главе рассмотрены теоретические процессы при сжатии воздуха. Пневматическую установку можно считать однородной термодинамической системой, для которой рабочим телом, т. е. веществом, способным воспринимать и отдавать теплоту, а также совершать работу, является атмосферный воздух.

Функциональная зависимость между параметрами этой простой термодинамической системы – давлением р, объемом V и температурой Т – называется уравнением состояния.

Эту зависимость в общем виде можно записать как

(1)

Для решения большинства термодинамических задач необходимо знать уравнение состояния в явном виде. Простейшим уравнением состояния является уравнение состояния идеального газа, называемое уравнением Клапейрона-Менделеева. Для одного грамм-моля оно имеет вид:

, (2)

где - универсальная газовая постоянная.

На работу самодействующих клапанов в поршневом компрессоре оказы­вают влияние параметры потока газа, проходящего через клапан, которые, в свою очередь, зависят от геометрической формы основных элементов клапана и характеристик пружин. Развернутые диаграммы движения закрывающих органов представленны на рис. 1. Отрезки на оси абсцисс выражают собой время, соответствующее определенным углам пово­рота вала компрессора, по оси ординат – величина подъема закрывающего органа h.

Рис. 1. Диаграммы движения закрывающих органов клапана:

а) для всасывающего клапана;

б) для нагнетающего клапана.

Рис. 2. Безразмерная диаграмма перепада давления по ходу поршня в клапане при F 0,12

Кривые относительного перепада давления в открытом клапане, построенные в функции угла поворота коленчатого вала (рис. 2), имеют в конце всасывания и нагнетания отчетливо выраженный линейный участок, расположенный под некоторым углом к оси хода поршня S (рис. 3). Условие можно принимать для расчета клапанов с ве­личиной критерия скорости потока в открытом клапане F < 0,25, где – критерий скорости потока газа в клапане; – скорость потока газа в клапане; – скорость звука,. При этом допускается, что потеря давления в открытом

клапане достигает нуля в момент прихода поршня в мертвую точку и расчет ведется на закрытие клапана при углах поворота кривошипа в 180 и 360°.

Рис. 3. Определение скорости изменения перепада давления в конце хода поршня

В этом случае:

, (3)

где - скорость изменения перепада давления в осях S.

На рис. 3 показано графическое определение скорости изменения перепада давления.

Интегрируя выражение (3) и учитывая, что и противоположны по знаку, можно определить снижение перепада давления в процессе закрытия клапана:

, (4)

где – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

При имеем, где – угол поворота кривошипа в начале закрывания клапана. Следовательно:

.

Ускорение пластины можно определить по формуле:

(5)

где – масса движущихся частей, состоящая из массы пластины и массы пружины, отнесенной к площади седла, кг/м2; – коэффициент давления потока; – приведенная к площади седла сила упругости пружины, Н/м2:

, (6)

где fc – площадь канала седла, м2;, – сила упругости пружины, Н.

В начальный момент времени при закрытии клапана и, тогда

. (7)

Уравнение (5) принимает вид:

. (8)

Подставляя значение из уравнения (4), получим:

. (9)

В формуле (9) в выражении можно сделать преобразование, так как из выражения (7) следует:

, то (10)

где.

Здесь – постоянная пружины, численно равная силе упругости пружины при единичной деформации, Н/м; – высота подъема клапанной пластины, м; – деформация предварительного натяга пружины, м.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»