CC BY
22
В. И. Король, 2004
УДК 622.413.3:536.7
С. А. Алексеенко, И.А. Шайхлисламова., И.Н Зинченко, А. Г. Бутырин, В.И. Король
ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ГЛУБОКИХ ШАХТАХ ПРИ ВЫРАВНИВАНИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Семинар № 3
ш я редлагаемый нетрадиционный под-
-Ж_Ж ход к новой технологии кондиционирования шахтного воздуха и разработанные, на этой основе, способ кондиционирования рудничного воздуха и установка для его осуществления [1] направлены на перераспределение тепловлажностного потенциала между воздухоподающим стволом, выработками около-ствольного двора и рабочими забоями. В атмосфере выработок околоствольного двора (ОДВС) имеется дефицит тепловой энергии (запас холода) по отношению к окружающей среде глубокого горизонта. Необходимость дополнительного нагрева и увлажнения воздуха в ОДВС - с одной стороны и необходимость охлаждения и осушения воздуха в участковых выработках - с другой стороны обуславливают идею одновременного использования источника теплоты и влаги, а также источника холода. Эти источники имеются: в участковых выработках - избыток тепловлажностного потенциала воздуха, а в ОДВС - дефицит тепловлажностного потенциала воздуха. Таким образом, следует «переместить» избыток теплоты в выработки ОДВС, а холод (дефицит теплоты)
- в участковые выработки.
Это в свою очередь требует разработки новых расчетных методов тепловлажностных параметров как в горных выработках, так и в установках для кондиционирования шахтного воздуха с использованием альтернативных источников энергии.
Рис 1. Схема циркуляционного кондиционирования воздуха: 1 - водоохлади-тель, 2 - воздухоохладитель, 3 -
трубопровод с холодной водой, 4 - трубопровод с теплой водой
При способе циркуляционного кондиционирования воздуха между зонами низкого и высокого тепловых потенциалов (рис. 1) для создания благоприятных тепловых условий горнорабочим в околоствольном дворе будет осуществляться подвод тепла и влаги в водоохладителе
1 с использованием трубопровода 4, что уменьшит их притоки к вентиляционной струе на пути движения к забоям, а в участковой выработке в воздухоохладителе 2 будет производиться подвод холодной воды с использованием трубопровода 3.
В водоохладителе 1 теплообмен осуществляется не со стенками выработки, а с каплями теплой воды в воздухе при орошении, а в воздухоохладителе 2 - с поверхностью труб с холодной водой. Здесь также может быть установлен дополнительно воздухоохладитель форсуночного типа.
Известные методы тепловых расчетов охладителей различного типа [2-4] в основном базируются на результатах экспериментальных исследований и пригодны лишь для дискретных значений исходных параметров. Теоретические исследования в этом направлении [4] исходят из допущений постоянства относительной влажности в охладителе и задания линейной зависимости давления паров влаги в воздухе от температуры, что не может не сказаться на точности расчетов. Поэтому наряду с
4
1 2
3
численным методом [2] разработан графоаналитический метод тепловых расчетов выработок глубоких шахт при выравнивании тепловых потенциалов за счет циркуляции холодной воды по трубопроводам от ствола до лавы. Предлагаемый метод основан на результатах теоретических исследований тепловлажностных режимов горных выработок с альтернативными источниками энергии [3] и анализе ряда исходных данных, определяемых неоднозначно с погрешностью, превышающей точность расчетов. Это дало возможность существенно упростить аналитические зависимости температуры от исходных параметров и представить их в виде графических зависимостей. Разработанный метод расчета является графоаналитическим и используется наряду с численным методом для взаимной проверки их точности при различных допущениях.
При выборе исходных данных для расчета будем исходить из того, что ряд этих данных в непрерывно меняющихся условиях эксплуатации шахт не может быть задан однозначно и находится в некотором диапазоне значений, определяющем погрешности вентиляционных и тепловых расчетов [4]. К таким параметрам относятся продольные и поперечные размеры выработок, их шероховатости, форма сечений, скорости и расходы воздуха в выработках и воды в трубопроводах, теплофизические свойства породного массива как анизотропной трещиновато-пористой среды и т.д. Поэтому для упрощения расчетов предварительно произведена оценка возможного диапазона изменения значений некоторых исходных данных, отклонения которых от средних значений менее 10 %.
Определим диапазон изменения барометрического давления в шахтных условиях. На глубине разработки 400-1200 м барометрическое давление согласно зависимостям [5-7] при среднем давлении на поверхности Р0 = 750 мм рт.ст. будет находиться в пределах: в летние месяцы - 824 ± 36 мм рт.ст. и в зимние месяцы
- 828 ± 40 мм рт.ст. С учетом колебаний атмосферного давления от 740 до 760 мм рт.ст. максимальные отклонения давления от среднего значения составляют всего 6%, и поэтому для тепловых расчетов можно принять Рв = 1,1*10-5 Па (825 мм рт.ст.).
Плотность воздуха связана с давлением линейной зависимостью и при среднем значении р= 1,3 кг/м3 будет иметь отклонения также не более 6 %.
При расчетах периметра выработок используется формула, включающая в себя коэффициент формы их сечения, который находится в диапазоне изменения 3,54 -4,16 [6]. При среднем значении кф = 3,85 погрешность при определении периметра и радиуса выработки составит не боле 8 % .
При исходных данных, которые можно принять за константы, упрощается вычисление таких параметров как коэффициент теплоотдачи стенок выработки вентиляционному потоку, влагосодержание и энтальпия воздуха.
Таким образом, при проведении расчетов необходимо обращать внимание на неопределенность некоторых исходных данных, на несущественные погрешности при их отклонении от средних значений и на отклонения расчетных значений, которые могут быть незначительными даже при существенных изменениях исходных данных. Например, даже при больших неточностях в определении времени существования и скорости проветривания старых выработок, коэффициент нестационарного теплообмена будет меняться незначительно.
Исходные данные для расчета: Ь — длина выработки или ее части, м; £ — средняя площадь поперечного сечения выработки, м ;
2 — средний расход воздуха, м3/с; Т — продолжительность существования и проветривания выработки, ч; Т0 — температура воздуха в начале выработки, К; Тп — температура пород,
К; О — коэффициент температуропроводности горных пород (для ориентировочных расчетов принимается равным среднему значению 36-10" 4 в диапазоне табличных данных для песчаников и сланцев (29 - 44)-10- , м /ч; Я— коэффициент теплопроводности пород, (Вт/(м-К);
£ — коэффициент шероховатости выработки (для ориентировочных расчетов принимается равным среднему значению 2,5 в диапазоне табличных данных: 2 -3); (р0 — относительная влажность воздуха в начале выработки, доли ед.; ср — удельная теплоемкость воздуха (принимается равной 1040 Дж/(кг-К)); р— коэффициент массообмена при испарении влаги (принимается равным 3а / ср по результатам
экспериментов, кг/(м-с); qo — удельное тепловыделение от окисления угля и крепежного леса, Вт/м2; 1р — тепловыделение от местных
распределенных по длине выработки источников тепла (при сжатии и расширении струи воздуха, при движении угля по конвейерной ленте), Вт; 1к — тепловыделение от местных концентрированных источников тепла (при работе машин и механизмов), Вт; Тх — средняя температура холодной воды в прямом трубопроводе, К; Тт — средняя температура теплой воды в обратном трубопроводе, К; ётр — диаметр трубопроводов, м; кх — коэффициент теплопередачи от холодной воды к воздуху, Вт/(м2-К); кт — коэффициент теплопередачи от
1 °с
5) Определяем в выработке бесконечной длины возможный предельный прирост температуры пород (К) за счет окисления углей
АТ = (1/кт-1/«^0 (5)
6) Находим условную предельную температуру в выработке бесконечной длины
^ кг(Тп + АТ)П + (кТх + ктТт)ж1тр +1р /Ь
“ кгП + (кх + кт )ж!тр
’ (6)
7) Находим относительную длину выработ-
к П + (к + к )жсі
— __ г V* т' т1
X —
ь
(7)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
теплой воды к воздуху, Вт/(м2-К);
Порядок расчета
1) Определяем коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2-К)) по формуле
1800 2000
X, М
формуле
Т, = г +
срр0
8) Определяем обобщенный критерий тепломассообмена
м = (Т, -Т„)к,/а + (1 -рДГ0 -273) (Т„- Т0)«
(8)
9) Определяем на графике (рис.2) по найденным параметрам х и М ходом ключа снизу вверх и налево относительную температуру Т .
10) Находим искомую температуру в конце выработки по
(Т и- Т 0)Т
(9)
а- 3є-
(1)
Ві = -
^ ат Го = — Я2
(2)
(3)
2) Находим периметр и радиус выработки
(м)
П = 3,8^7^; Я = 2Б / П
3) Находим числа Био и Фурье: аЯ
1 :
4) Определяем коэффициент нестационарного теплоообмена (Вт/(м2-К)) по формулам соответственно при числах Фурье меньше единицы и больше единицы
, , Ві4Го
к=а 1-------------------;=---------
г (Ві + 0,375)л/Г0 + 0,85
, а т . Ві
к_ =---------[0,5 +
Концом выработки считается вентиляционный узел либо тепловой узел, в котором расположен местный концентрированный источник тепла. К концентрированным источникам относятся вентиляторы местного проветривания, электродвигатели горнопроходческого оборудования, водоотливные насосы, лебедки и т.д.
11) Температура в вентиляционном или тепловом узле Т (К) определяется по формуле
т =
уз
(10)
Ві + 0,5
(Ві + 0,5)л[лГо
(4)
где 2 — расход воздуха, поступающего к узлу, в 1- й ветви, м3/с; Т — температура воздуха в конце 1-й ветви, К; I — мощность концентрированного источника тепла, Вт.
Для следующих выработок расчет повторяется до тех пор, пока не будет пройден весь маршрут от ствола до лавы. При этом за начальную температуру в каждой новой выработке принимается температура в узле: у _ у
0,8
Рис 2. График для расчета температуры воздуха в системе выработок при выравнивании тепловых потенциалов
Рис 3. Распределение температуры вдоль выработок до кондиционирования (1) и после (2) и в трубопроводах: прямом (3) и обратном (4)
Затем в систему включаются водо- и воздухоохладители, а также трубопроводы с холодной и теплой водой и расчет повторяется. При работе в замкнутом цикле в зимний период нагретая вода после орошения и нагрева воздуха, поступает обратно в трубопровод и циркулирует в выработках околоствольного двора до тех пор, пока не охладится до начальной температуры и лишь затем направляется к лаве. Новый цикл вычислений позволяет установить эффективность работы всей системы кондиционирования воздуха и указать пути ее дальнейшего совершенствования.
Пример расчета. Дать прогноз эффективности выравнивания тепловых потенциалов перед лавой во вспомогательном уклоне (индекс 1) и конвейерном штреке (индекс 2), используя следующие исходные данные: Ll = 550 м; L2 =1450 м; ^ = 13,4 м2 ; S2 = 13,4 м2 ; Q1 = 23 м3/с; Q2 = 19 м3/с; г1= 13000 ч; г2 = 22000 ч; Т01= 296 К; Т02 = 2 9 9 К; ТП1 = 312,6 К; Тп2 = 313,4 К; (рт = ^02 = 0,9; Я = 1,75 Вт/(м-К); qm = q02 = 10 Вт/м2; IрХ = 7,5 Вт; Ipl = 22,5 Вт; ^ = 285,2 К; Тт = 289 К; dmp =0,15 м; kx = ^ = 18,7 Вт/(м2-К).
Поскольку площади сечений выработок одинаковы, а расход отличается от среднего менее, чем на 10%, расчеты проводились сразу для двух выработок как одной выработки протяженностью 2000 м. По формулам (1) - (3) найдены параметры СС =17 Вт/(м -К);
П =13,9м; R =1,9 м и числа Био и Фурье:
Bi =19; Fo = 17. Коэффициент нестационарного теплообмена,
несмотря на существенные различия выработок во времени существования принят равным kт =
0,56 Вт/(м2-К), поскольку его отклонения от среднего значения согласно второй формуле (4) не превышают 2 -3%. Прирост температуры в выработке бесконечной длины за счет окисления углей определен по формуле (5) и равен АТ =17,3 к. Согласно (6) предельная температура в выработке бесконечной длины достигнет значения 346 К до кондиционирования воздуха, а при кондиционировании понизится до 305 К.
Согласно зависимостям (7) и (8) по найденным значениям относительной длины выработки X и критерию влагообмена М и графику (рис. 2) определены относительные температуры в выработке. По формуле (9) определены фактическая 29,5 0С и ожидаемая температура в выработке 26 0С. На рис. 3 представлены результаты численных расчетов.
Как показывают сравнения, результаты расчетов по графоаналитическому методу и численному методу находятся в полном соответствии друг с другом.
Таким образом, при выравнивании тепловых потенциалов в двух выработках перед лавой за счет циркуляции холодной воды по трубам можно существенно снизить температуру воздуха перед лавой с 30 0С до 26 0С. Это объясняется тем, что в теплообмене участвуют две трубы с расходом воды 50 м3/ч и общей площадью почти 2000 м2, причем вклад в теплообмен обратного трубопровода составляет почти 40 %, что раньше не учитывалось. Установка дополнительно под лавой воздухоохладителя и снижение температуры воздуха еще на 2 0С позволят создать благоприятные условия для работы в лаве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеенко С.А., Лисовицкая И.А. Нетрадиционный подход к новой технологии кондиционирования рудничного вздуха в глубоких шахтах и рудниках: Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Изд-во МГГУ. 2003. № 9. С. 69-71.
2. Численный метод расчета системы циркуляционного кондиционирования воздуха в глубоких шахтах и рудниках / С.А. Алексеенко , И.А. Шайхлисламова, И.Н. Зинченко и др.- Науковий вюник НГУ. №1. 2004.
3. Методы расчета тепловлажностных параметров в горных выработках глубоких шахт с альтернативными источниками энергии / С.А. Алексеенко,
И.А. Шахлисламова, И.Н. Зинченко, А.Г. Бутырин / Сб. науч. трудов НГУ №16. - Днепропетровск, НГУ, 2003. -С.124 -129.
4. Цейтлин Ю.А. Установки для кондиционирования воздуха в шахтах. - Недра, 1974. - 166 с.
5. Щербанъ А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. - М.: Недра, 1977. - 359 с.
6. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах. - Макеевка - Донбасс: МакНИИ, 1979. - 196с.
7. Кремнев О.А., Журавленко В.А. Тепло- и массооб-мен в горном массиве и подземных сооружениях. - Киев: Наук. думка, 1986. - 344 с.
Коротко об авторах
Алексеенко Сергей Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры АОТ НГУ.
Зинченко Игорь Николаевич — кандидат технических наук, старший инженер отдела эндогенных пожаров, Научно - иследовательский институт горноспасательного дела.
Шайхлисламова Ирина Анатольевна - аспирантка кафедры АОТ НГУ.
Бутырин Александр Григорьевич — технический директор ГП «Красноармейскуголь».
Король Вячеслав Иванович - начальник Красноармейской государственной горнотехнической инспекции.
----------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Уткина С.И. Экономика горного предприятия: Учебное пособие для вузов. — 262 с.: ил.
КВЫ 5-7418-0226-5 (в пер.)
В соответствии с законодательными и нормативными документами изложены основные принципы и методологические основы формирования и учета доходов и расходов предприятия. Дана характеристика этих показателей с точки зрения экономики, бухгалтерского учета и налогообложения. В отдельные разделы выделены особенности расчета затрат на производство и реализацию продукции для горно-добывающих предприятий. Приведены примеры экономических расчетов.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Горное дело» по специальностям «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и «Открытые горные работы».
© И.А. Шайхлисламова, 2004
УДК 622.413.001.5 И.А. Шайхлисламова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ
Семинар № 3
