Расчет стационарных машин

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Политехнический институт (ф) ФГАОУ ВО

«Северо-Восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова» в г. Мирном

Кафедра горного дела

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет стационарных машин

по дисциплине «Стационарные машины»

Выполнил: студент Васильев А. В.

направление подготовки Горное дело

специализация «Горные машины и оборудование»)

Проверил: к.т.н, доцент кафедры ГД

Золотин В. Г.

2019



Содержание

Введение

1. Расчет насосной водоотливной установки

2. Расчета проходческой вентиляторной установки

3. Пример расчета пневматической установки для горно-разведочных работ

Заключение

Список литературы



Введение

Курсовой проект является составной частью изучения дисциплины «Стационарные машины» при подготовке инженеров по специальности «Горные машины и оборудование».

В процессе проектирования решают задачи: обоснования и выбора схемы водоотлива, выбора насосного оборудования нового типажного ряда, расположения оборудования, заданных режимов его работы, регулирования и автоматизации с целью повышения надежности и эффективности эксплуатации; обоснования и выбора типа вентилятора, расположения оборудования и компоновки вентиляторной установки, задания режима работы.

Решение этих задач позволит осуществить на практике энергосберегающую технологию эксплуатацию вентиляторных установок; при расчете пневматической установки для горно-разведочных работ чертится схема сети с указанием числа и типа потребителей сжатого воздуха во всех пунктах и длины отдельных участков, вычисляются диаметры труб всех участков сети, массовый расход воздуха, мощности компрессора тип и их марка.



1. Расчет насосной водоотливной установки

Схема водоотливной установки приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема трубопроводов к расчету насосной установки:

I - всасывающий участок трубопровода; II - участок трубопровода с арматурой в насосной камере;

III - участок трубопровода в наклонном ходке, стволе шахты и на поверхности; 1 - клапан приемный;

2 - сетка; 3 - колено сварное составное; 4 - переходник; 5 - задвижка; 6 - обратный клапан;

7 - тройник; l₁ - l₃ - длины участков трубопроводов



Исходные данные для расчета:

Q^H_ПР - нормальный приток в водосборник системы главного водоотлива = 100 м³/ч;

Q^MAX_ПР - максимальный приток в весенне-осенний период = 150 м³/ч;

Н_Ш - высота, на которую необходимо откачать воду (обычно равна глубине шахты) = 270 м.

Вода - нейтральная.

Определение основных параметров насосной установки. Минимальная подача определяется, исходя из требования откачки нормального суточного водопритока не более, чем за 20 ч

Q_MIN = 24,=24*100/20=120 м³/ч.

Ориентировочный напор насоса

H' = , = 270/0,9=300 м,

где з - к.п.д. трубопровода, обычные пределы изменения з=0,9ч0,95.

Определение марки насоса. Наносим точку с координатами Q_MIN и H' на сводный график рабочих зон характеристик насосов ЦНС (см. рис.2).

Эта точка попадает в рабочую зону насоса ЦНС -180-85…425. i=2-10 ступеней, 1475 об./мин.

Из табл. 1 приложения выписываем основные характеристики насоса ЦНС: напор на одно колесо Н_К, м; напор на одно колесо при нулевой подаче Н_К⁰, м; номинальное значение к.п.д. з_Н; предельно допустимую высоту всасывания Н^ВС_ДОП, м.



Рисунок 2. Поля режимов работы насосов типа ЦНС

Копируем из приложения графики характеристик выбранного насоса (или строим по индивидуальным характеристикам).

Число рабочих колес насоса:

z = =300/42,5=7,059 колес

Число рабочих колес округляем до целого принимаем z=8.

Напор насоса при нулевой подаче

Н₀ = ZН_К⁰,=8*47=376 м



Проверяем выбранный насос на устойчивость рабочего режима. Рабочий режим считается устойчивым, если выполнено условие

Н_Ш < 0,95Н₀.; 270?357,2; 0,95*376=357,2.

Выбор труб и водоотливной арматуры. Необходимо для каждого участка трубопровода выбрать диаметр труб и водоотливную арматуру - задвижки, тройники и т. д. Выбор арматуры производится согласно типовому проекту установки главного водоотлива (рис. 1). Первый участок - всасывающий трубопровод.

Его внутренний диаметр определяется исходя из экономически выгодной скорости движения воды:

d_ВН1 = , =v(4*120)/(3600*3,14*1,0)=0,206м=206мм

где х_ТР1=1,0 м/с - скорость воды во всасывающем трубопроводе.

По ГОСТ 8732-78 принимаем трубы с внутренним диаметром d_ВН1 - 219мм, толщиной стенки - 10мм.

Второй участок - нагнетательный трубопровод в насосной камере и трубном ходке.

Внутренний диаметр труб:

d_ВН2 = ,=v(4*120)/3600*3,14*2,1=0,142 м,=142мм

где х_ТР2 - скорость воды в нагнетательном трубопроводе:

=2.1 м/с.

По ГОСТ принимаем трубы с d_ВН2 = 194 мм, толщина стенки = 10 мм.

Третий участок - нагнетательный трубопровод в шахтном стволе и на поверхности. Его диаметр принимают таким же, как и на втором участке.

Определение характеристики сети. Характеристика внешней сети водоотливной установки имеет вид

Н_С = Н_Ш + RQ²=270+0,00037*120²=275,33

где R = R₁ + R₂ + R₃=0,000086+0,00025+0,000101=0,00037

R, R₁, R₂, R₃ - соответственно общее сопротивление, сопротивление первого, второго и третьего участков сети:

R₁ = A_ДЛ1l₁ + A_МЕС1?о₁,=4,017*10^-7*8+2,719*10^-6*2=0,000086

где A_ДЛ1 - коэффициент сопротивления по длине трубопровода

A_ДЛ1 = =8*0,032/3600²*3,14²*10*0,219⁵=4,017*10^-7

где л₁ - коэффициент гидравлического сопротивления трубы.

Для новых труб:

л₁ = .=0,0195/=0,032

A_МЕС1 - коэффициент к местным сопротивлениям трубопровода

A_МЕС1 = .=8/3600²*3,14²*9,8*0,219⁴=2,719*10^-6

A_МЕС2 = .=8/3600²*3,14²*9,8*0,194⁴=4,415*10^-6

?о₁=1,2+0,52+10=11,72 - сумма местных сопротивлений согласно типовому проекту водоотливной установки (см. рис. 1):

Коэффициенты местных гидравлических сопротивлений элементов арматуры внешней сети, принимаются следующим образом:

а) сальниковый компенсатор температурных изменений длины трубопроводов - о=0,2;

б) компенсатор гидравлических ударов - о=0,3ч0,7;

в) тройник - о=0,5ч1,0;

г) постепенное расширение потока (диффузор)

о=sinц(1 - ,

где ц - угол расширения потока, град; f₁ и f₂ - площади поперечного сечения трубопровода соответственно в начале и в конце участка расширения, м²;

д) постепенное сужение потока (конфузор) - значение о определяется в зависимости от угла сужения ц₁

ц1, град	7	10	20	30	50	70
о	0,10	0,16	0,20	0,24	0,31	0,34

Второй участок - нагнетательный трубопровод в монтажной камере

R₂ = A_ДЛ2l₂ + A_МЕС2?о₂.=7,667*10^-7*270+4,415*10^-6*11,72=0,00025

Третий участок в наклонном ходке, стволе шахты и на поверхности

R₃ = 1,1A_ДЛ2l₃.=1,1*7,667*10^-7*120=0,000101



Задаваясь разными значениями подачи насоса Q, составляем ряд параметров построения характеристики сети Н_C (табл. 1).

Таблица 1

Q	0	40	80	120	160	200	220
Q2	0	1600	6400	14400	25600	40000	48400
RQ2	0	0,592	2,368	5,328	9,472	14,8	17,908
HC	270	270,592	272,368	275,328	279,472	284,8	287,908

Нахождение рабочей точки насосной установки. На графике в одном масштабе строится действительная характеристика насоса для n рабочих колес и характеристика сети H_C (рис. 3).

Рисунок 3. Действительная характеристика работы насоса



Рабочая точка является точкой пересечения характеристики сети и индивидуальной напорной характеристики насоса (точка А).

Получена точка с координатами Q_P=210 м³/ч; H_P=286 м; з_P=0,68; h^ВС=4,1.

Действительная высота всасывания:

h^ВС_ДЕЙ = h^ВС + R₁Q_Р²=4,1+0,000086*210²=4,8 м.

Необходимо выполнение условия

h^ВС_ДЕЙ < Н^ВС_ДОП, 4,8?5.

тогда всасывание будет проходить без кавитации.

Расчетная мощность электродвигателя

N_P = =1,1*210*286*1040*9,8/3600*1000*0,68=275 кВт

где k = 1,1 - коэффициент запаса; с - плотность воды.

Принимаем к установке электродвигатель 4А 355 М2: мощностью - N_ДВ = 315 кВт, з_ДВ = 93%, n = 1500 мин^-1

Время работы насосов в сутки при откачке нормального и максимального притоков:

Т_Н = 24=24*100/210=11 ч;

Т_MAX = 24=24*150/210=17ч.



Годовой расход электроэнергии на водоотлив

Е =

Е 1,05*315(305*11+60*17)/1,1*0,94*0,96=1500410 кВт ч

где k_Э = 1,05 - коэффициент дополнительных затрат энергии; з_С = 0,96 - к.п.д. сети.

Расход электроэнергии на 1 м³ откаченной воды

е = =1,05*315/210*0,94*0,96=1,74 кВт ч/м³.

2. Расчет проходческой вентиляторной установки

Исходные данные:

- длина тупиковой выработки - L=600 м;

- сечение выработки - S,=5,8 м²;

- расход ВВ за 1 цикл - А,=20 кг;

- время проветривания выработки - t = 30 мин;

- количество человек, работающих в забое - m,=3 чел.

Определение необходимого количества воздуха на забое (Q_З)

Количество воздуха по числу людей, одновременно работающих в забое

Q_З = 6m, м³/мин,=6*3=18 м³/мин.= 0,3 м³/с

где 6 м³/мин - норма воздуха на одного работающего.



Количество воздуха по минимальной скорости воздушной струи

Q_З = Sх_MIN,=5,8*0,4=2,32 м³/с

где х_MIN = 0,4 м/с - минимальная скорость воздушной струи при мокром бурении одним перфоратором.

Количество воздуха, исходя из разбавления вредных газов, образовавшихся после взрыва по формуле В. Н. Воронина для нагнетательного способа проветривания, определяется

Q_З = ((7,8/t)[(AS²L²)]^1/3 = (7,8/30)[(20х5,8²600²)]^1/3 )60 = 2,7 м³/сек

Таким образом, для расчета принимаем максимальное количество воздуха Q_З.

Диаметр вентиляционных труб выбирается из расчета, чтобы скорость воздуха по трубопроводу не превышала 20 м/с.

d_ТР = , = =0,415м.

Принимаем диаметр вентиляционного трубопровода из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 и 1,0 м.

Диаметр трубопровода необходимо округлить до номинального значения внутреннего диаметра присоединительного патрубка вентилятора

Проверка на допустимую скорость движения вентиляционной струи по выработке

х_ВОЗД = > 0,4 м/с., 2,7/5,8=0,466.?0,4.



Расстояние от конца трубопровода до забоя должно быть не более

l < 4, м. 4=9,6 м.

Способы проветривания. Выработки большой протяженности проветриваются с использованием:

- одного вентилятора, работающего на общий трубопровод;

- каскадной установки вентиляторов (по мере проходки выработки в начале трубопровода устанавливается ещё вентилятор рядом с первым и т. д.);

- рассредоточенной установки вентиляторов.

Проветривание горных выработок с помощью одного вентилятора используется на рудных шахтах при проведении выработок большого сечения, используется трубопровод диаметром d_ТР = 0,8ч1,0 м.

Каскадное расположение вентиляторов используется на газовых шахтах и все механическое и электрическое оборудование устанавливается в одном месте.

Определяется аэродинамическое сопротивление трубопровода по заданному типу труб, их диаметру, длине звеньев, качеству сборки и полной расчетной длине трубопровода L_m=L - l = 600-9=591 (м).

R_m = 6,45a, =6,45*0,0046*(591/0,5⁵)=561,12 H c/м⁸

где а = 0,0046 H c²/м⁴ - коэффициент аэродинамического сопротивления.

Вычисляются коэффициенты потерь (Р) и доставки воздуха (д)



Р = (k_bd_ТР + 1)²,= (0,002*0,5* + 1)²=2,151

д = ,=1/2,151=0,465.

где k_b = 0,002 - коэффициент качества сборки трубопровода; l_T = 10, 20 и 30 м - длина звена вентиляционного трубопровода.

Определяется подача вентиляторной установки на полную длину трубопровода по уравнению

Q_В = PQ_З,=2,151*2,7=5,81 м³/с.

Рассчитываю максимальную депрессию (Па) для полной расчетной длины трубопровода по выражению для протяженной выработки

h_max = РR_mQ_З² = (2,151х561,12х2,701²)/1000 = 8,807 Па

Расчетная максимальная депрессия не соответствует для применения 1-го вентилятора для проветривания с данным диаметров воздуховода, увеличиваем диаметр трубопровода d_ТР=0,6м.

R_m = 6,45aL_m/d_ТР⁵ = 6,45х0,0046х591/0,6⁵ = 225,5 H* c/м⁸

Вычисляю коэффициенты потерь (Р) и доставки воздуха (д)

Р = [1/3k_bd_ТР(L_m/l_T)vR + 1]² = [1/3х0,002х0,6(591/10)v225,5+ 1]² = 1,836

д = 1/Р = 1/1,836 = 0,545

где k_b = 0,002 - коэффициент качества сборки трубопровода; l_T = 10 м - длина звена прорезиненных труб.

Определяю подачу вентиляторной установки на полную длину трубопровода по уравнению

Q_В = PQ_З = 1,836х2,701 = 4,959 м³/с

Рассчитываю максимальную депрессию (Па) для полной расчетной длины трубопровода по выражению для протяженной выработки

h_max = РR_mQ_З² = (1,836х225,5х2,701²)/1000 = 3,021 Па

По сводным графикам областей промышленного использования осевых вентиляторов местного проветривания [2] выбираю вентилятор ВМ-6М с депрессией h_В1 = 3,5 кПа.

Потребное количество вентиляторов для проветривания всей выработки рассчитываю по уравнению

n_В = h_max/h_В1 = 3021/3500 = 0,863 шт.

Принимаю n_В = 1 вентилятор типа ВМ - 6М.

По индивидуальным характеристикам вентиляторов местного проветривания (рис. 4) выбирается вентилятор, который при высоких значениях к.п.д. обеспечивает подачу расчетного количества воздуха с учетом его утечек.

Останавливаемся на вентиляторе ВМ-6М.

На индивидуальной характеристике вентилятора ВМ из точки, соответствующей его подаче Q_В (м³/с), восстанавливается перпендикуляр до пересечения с кривой.



Рисунок 4. Действительная характеристика работы вентилятора

Точка пересечения соответствует депрессии вентилятора h_В1 = 1002 (Па).

Принимаем 1 вентилятор типа ВМ - 6М.

3. Расчет пневматической установки для горно-разведочных работ

Вычерчивается схема сети с указанием числа и типа потребителей сжатого воздуха во всех пунктах и длины отдельных участков, рис. 6.

Определяют период наибольшей нагрузки пневмосети и расход воздуха на всех ее участках.



Рисунок 6. Схема пневмосети и приемников пневматической энергии:

Ф - приемный фильтр; КС - компрессорная станция; МВ - маслоотделитель; В - воздухосборник; К, J, E, Д - пункты потребления пневматической энергии; B, F, C - узлы сети; А - пункт подключения компрессорной станции

Исходные данные: Длина трубопроводов: АВ=100 м; ВС=2000 м; ВF=300 м; СЕ=250 м; СД=1800 м; FК=1150 м; FJ1050 м.

В пункте К работают 2 пневмоударника типа НКР-100; в пункте J - три телескопных перфоратора типа ПТ-36; в пункте Е - два перфоратора типа ПР-24; в пункте Д - четыре погрузочных машины типа ППН-1С.

Характеристики потребляемой пневмоэнергии:

- погрузочная машина ППН-1С (Р_ср=0,6 МПа, q=11 м³/мин);

- телескопный перфоратор ПТ-36 (Р_ср=0,6 МПа, q=4,5 м³/мин);

- ручной перфоратор ПР-24 (Р_ср=0,6 МПа, q=3,5 м³/мин);

- погружной пневмоударник НКР-100 (Р_ср=0,6 МПа, q=4,3 м³/мин).

Определяются объемные расходы воздуха на концевых участках трубопровода Q_Д, Q_Е, Q_К, Q_J по формуле



Q = k_Уq_in_ik_nk₀, м³/мин;

Q_д=1,15*11*4*1,10*0,85=47,3 м³/мин;

Q_Е=1,15*3,5*2*1,10*0,85=7,5 м³/мин;

Q_К=1,15*4.3*2*1,10*0,85=9,2 м³/мин;

Q_J=1,15*4.5*3*1,10*0,85=14,5 м³/мин;

где k_У - коэффициент утечек воздуха в распределительной сети, k_У=1,15ч1,20; q_i - номинальный паспортный расход воздуха i-тым потребителем, м³/мин; n_i - количество одноименных потребителей в группе; k_n - коэффициент увеличения расхода воздуха вследствие износа потребителя, k_n=1,10ч1,15; k₀ - коэффициент одновременности (при n=1ч10, k₀=1,00ч0,85; при n=11ч30 k₀=0,85ч0,75).

Для расчета пневматической сети выбираем самый удаленный и нагруженный участок, предположим, что этим участком является пункт Д, где абсолютное давление воздуха принимается не ниже Р_ср=0,6 МПа.

Определяем объемный расход воздуха по участкам: Q_DС, Q_ЕС, Q_KF, Q_FJ, по формуле:

Q_ДС = Q_Д + = Q_Д + =47,3+(6*0,6*1,8/2)=50,5 м³/мин.;

Аналогично рассчитывается расход воздуха по участкам

Q_ЕС=7,5+(6*0,6*0,25/2)=7,97 м³/мин.,

Q_KF=9,2+(6*0,6*1,15/2)=11,3 м³/мин.,

Q_FJ=14,5+(6*0,6*1,05/2)=16,4 м³/мин.

Определяем диаметр трубопровода на участке ДС; среднюю температуру сжатого воздуха принимаем Т_О=288 К и среднее давление - равным давлению в пункте потребления D



По ГОСТ 8732-78 принимаем стандартные трубы с наружным диаметром 159 мм (внутренний диаметр 149 мм).

Определяем массовый расход воздуха G (кг/мин), коэффициент сопротивления л, эквивалентные длины местных сопротивлений и расчетную длину участка:

G_ДС = =50,5*101500/287*288=62 кг/мин

где Р_О = 101500 кг/см² - атмосферное давление; R = 287 кг с²/м⁴ - аэродинамическое сопротивление трубопровода.

л_ДС = = =0,037 l_{р ДС} = 1,1l_ДС=1,1*1800=1,98 км.

Абсолютное давление в точке С определится из уравнения

где Р_D = 0,6*10⁶ Па.

Таким образом, потери давления на участке ДС составят

?Р_DС = Р_С - Р_D = - 0,6*10⁶ = 9,77*10⁴ (Па).



Диаметр трубы на участке СЕ принимается равным диаметру труб участка СД, т. е. d_СЕ = d_ДС=149мм., тогда,

л_се = = =0,037 l_{р се} = 1,1l_се=1,1*250=275м.,

Давление в точке Е определится по формуле:

G_СE = =7,97*101500/287*288=9,79 кг/мин

Определяется общий расход воздуха через узловой пункт С и участок СВ.

Определяется диаметр на участке СВ, где среднее давление принимается равным ДР_СВ=Р_С

d_СВ = (0,85ч1,1), мм.



По ГОСТ 8732-78 принимаем внешний диаметр трубопровода 159мм (внутренний диаметр 149 мм).

Определяется давление в точке В

л_СB = = =0,037 ,

G_СB = =56,907*101500/287*288=69,88 кг/мин

По известным давлениям в точке В и пунктах потребления точки J и К, определяется потеря давления на участке:

?Р_ВJ = Р_В - Р_J, Мпа

?Р_ВJ = Р_В - Р_J = - = 0,21 (МПа)

где Р_J=0,6 МПа.

Удельная потеря на этих участках:

l_BJ = l_BF + l_FJ = 0,3 + 1,05 = 1,35 (км)

Потеря давления на участке ВF составит:



Давление в точке F составит:

P_F = P_B - ?Р_ВF, МПа.

P_F = P_B - ?Р_ВF = - 0,048 = 8,11

Объемный расход воздуха на участке ВF:

Q_BF = Q_K + Q_J + (ДQ_KF + ДQ_FJ )/2=

=9.24+14.51+(2.07+1.89)/2=25.743 м³/мин

Определяется диаметр труб на участке ВF:

По ГОСТу принимаем стандартный наружный диаметр d_BF = 60 мм. С толщиной стенки 3,5 мм. Определяется диаметр труб на участке FJ и KF



Принимаем стандартный трубопровод с внутренним диаметр d_FJ = 33 мм.

На участке KF принимается диаметр труб как на участке FJ.

Находится диаметр трубопровода на участке ВА, средняя температура сжатого воздуха на этом участке принимается равной Т_ср = 293⁰ К, а среднее давление Р_ср равным давлению в точке В.

Стандартный диаметр принимается равным d_ВA^Н = 203 мм, внутренний - d_ВA^ВН = 183 мм.

Определяется рабочее давление у компрессорной станции в точке А.

л_BA = = =0,035

Удельная энергоемкость сжатия (кДж/м³) при политропном сжатии воздуха:



насосный вентилятор горный шахта

где n = 1,28ч1,32 - показатель политропы сжатия, зависит от интенсивности отвода тепла в процессе сжатия.

Мощность на валу компрессора

где з_ПОЛ = 0,8 - к.п.д. политропный;

з_М = 0,9 - механический к.п.д.

Мощность, потребляемая из сети

где з_П = 1,0 - к.п.д.; з_Д = 0,92 - к.п.д. двигателя.

Таким образом, принимаем два компрессора марки ВП-100/8, из которых один резервный.

Удельный расход электроэнергии на выработку 1 м³ воздуха



где b - число рабочих дней в году = 305 дн.; t - время работы компрессорной станции в сутки = 24 ч; N_XX = 84 кВт - мощность холостого хода компрессора; k_ОХ = 0,02ч0,05 - коэффициент, учитывающий расход энергии на подачу охлаждающей воды; k_ВСП = 0,03 - коэффициент, учитывающий расход энергии на вспомогательные нужды; N_B - мощность на валу двигателя, кВт, k_з = 0,8ч0,9 - средний коэффициент загрузки компрессорной станции.



Заключение

В процессе курсового проектирования закрепили и углубили знания, полученные студентами в процессе изучения курса.

Научились применять полученные знания при самостоятельном решении технических вопросов, связанных с комплексной механизацией основных производственных процессов при разведке и подземной разработке месторождений полезных ископаемых, эксплуатацией и модернизацией некоторых узлов установок.

Самостоятельно изучали справочную литературы, действующие ГОСТы, инженерные методы расчета, применяемыми в проектных организациях и промышленности и выработали навыки в составлении расчетно-пояснительной записки.



Список использованной литературы

1. Гришко А.П., Шелоганов В.И. Стационарные машины и установки. - М.: МГГУ, 2004. - 328 с.

2. Алексеев В.В. Стационарные машины. М., Недра, 1989. 484с.

3. Алексеев В.В., Брюховецкий О.С. Горная механика. М., Недра, 1995, 413с.

4. Алексеев В.В., Шевырев Ю.В., Акимов В.Д. Основы автоматики и автоматизация горных и геологоразведочных работ. М, Недра, 1998, 454 с.

5. Борохович А.И., Гусев В.В. Стационарные машины и установки на открытых горных разработках. М., Недра, 1969.

6. Гланц А.А., Алексеев В.В. Справочник механика геологоразведочных работ. М., Недра, 1987.

7. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М., Недра, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...