CC BY
11
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Теш 78 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1955 г.
К ВОПРОСУ о влиянии ПРИМЕНЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ В ШАХТЕ НА ТЕМПЕРАТУРУ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА
Б. М. ТИТОВ
Правила технической эксплуатации, действующие в СССР, предусматривают, чтобы температура рудничного воздуха в очистных и подготовительных выработках не превышала 25°С, поэтому в связи с переходом работ на некоторых шахтах Донбасса (а в будущем и на шахтах Кузбасса) на глубину до 1000 м и больше чрезвычайно актуальным становится вопрос борьбы с высокими температурами в шахтах.
Наряду с другими факторами на температуру рудничного воздуха оказывает влияние применяемая в шахте энергия. Например, принято считать, что применение электрической энергии вызывает нагревание рудничного врздуха, а пневматической—охлаждение, но достоверных цифровых величии этого нагревания в литературе, рак правило, не приводится.
Рассматривая работу шахтной пневматической установки аналогично работе воздушного компрессорного холодильного агрегата, работающего с непрерывным обновлением рабочего тела, можно ожидать, что применение пневматической энергии в шахте приведет к заметному охлаждению рудничного воздуха.
Для определения охлаждающего действия пневматической энергии нами предлагается использовать энтропийную диаграмму и вычисления вести следующим образом.
Примем, что сжатый воздух в месте входа трубопровода в шахтным ствол имеет давление ^ = ати, температуру ¿1 = 80°С и падение давления в трубопроводе от компрессора до потребителей равно 1,5 ати.
Параметры рудничного (вентиляционного) воздуха в месте работы пневматических механизмов примем = сипа,, —24°С, ¥« = 85%,
Предполагая, что во врем? движение воздуха по трубопроводу его температура понижается до темцературы окружающей среды — 24°С при постоянном давлении [1,424], определим количество тепла, которое передается рудничному воздуху
= сДЪ—Тш) = 0,24(353-297) = 13,5
кг
Перемещаясь но трубопроводу, воздушный поток преодолевает его сопротивление, и вследствие этого давление воздуха надает (рис. I) ог величины р\ до />2. Если бы воздух расширялся от давления рх до р2 адиабатически, то его температура понизилась бы до величины Г2аа» и в дальнейшем на его нагревание от окружающей среды было бы отнято количество тепла
Яд = С,{ТШ — Т2ад).
В действительности дело обстоит иначе [2,361]. Воздух, расширяясь от давления рх до ръ совершает работу, которая расходуется на 1) преодс'
ленце сопротивлений в трубопроводе и ускорение воздушного поик*
■^нет ."^й^рс™. подобно ра^е
Тре^я твердых тел, превращается в тепло и нагревает сжатый воздух, (рис. 1) до температуры Г,
\тр
С А Т2ад)-
Пои нагревании удельный объем воздуха увеличивается от до ^ щ о не о вёрщ ае т длительную работу, цдушую на преодолениесопр,^«. ленлй в трубопроводе и эквивалентную количеству терла (рис. 1).
Р. -
г -т-к
----- 'ч
Рис. 1. Энтропийная диаграмма изменения состояния сжатого воздуха при его передаче по трубопроводу и рэсцшрении в потребителях цневматичесцой энергии.
1-2 процесс охлаждение воздуха в трубопроводе; 2т3Г"Р^ес<; падения давления воздуха вследствие сопротивлении трения я .авихсений в трубопроводе; З-4-.процесс расширения воздуха в .юда^лях пневматической энергии; 4-^-процесс „нагревания расширившегося воздуха вследствие перехода полезной механической работы в тепло; р-6-проиесс нагревания расширившеюся воздуха за счет тепла, отнимаемого от окружающей среды.
Работа, расходуемая на увеличение скорости движения воздушного, по %<№ т Щ № Л. экщвалеитиа *) количеству тепла
н, как показывают вычисления, в рудничных пневматических сетях не
опт ккал превышает 0,001 -.
кг
Таким образом, при падении давления в трубопроводе от ру до р^ от рудничного воздуха отнимается количество тепла ((¿ы—Я*), но его в пределах точности нашего расчета можно не учитывать к считать, что температура воздуха в трубопроводе остается постоянной и равной температуре окружающей среды Тш.
При транспортировании воздуха около 20о/0 его [1.409] утекает через неплотности трубопровода. Процесс утечки воздуха через неплотности аналогичен процессу дросселирования газа, для которого, как известно [2,253], справедливо выражение
г — и ---
" \ 2г ^
ккал
где и — теплосодержание газа до и после дросселирования,-;
кг
1й>2 — скорость движения газового потока до и после дросселирования, м\сек.
Б нашем случае скорость движения воздушного потока в направления утечки до и после щели в трубопроводе равна нулю, поэтому:
¿1 — и.
В области подчинения газов закону
одинаковому теплосодержанию соответствует одинаковая температура, следовательно, поглощения тепла из окружающей среды или выделения его при утечках сжатого воздуха не происходит.
Часть воздуха, дошедшая с давлением р2 до потребителей пневматической энергии, расширяется в них и совершает полезную работу, например: бурение, отбойку, перемещение полезного ископаемого, подачу вентиля о,ион но го воздуха и т.д. Если бы процесс расширения воздуха в пневматических механизмах протекал адиабатически, без подогрева, за счет внутренних потерь энергии на трение, завихрение и утечку, то температура воздуха в конце расширения была
п / 1 1 \0,28б
Ты = Тш {- 297. (= 186°Л".
\ Рг / ' \ 5,5
В действительности за счет дросселирования частичной утечки воздуха через неплотности в потребителях пневматической энергии и теплопроводности стенок корпуса температура воздуха в конце расширеншя будет не Тгадь а Тг. Эти внутренние потери энергии не нагревают и не охлаждают рудничного воздуха.
Величину внутренних потерь энергии принято учитывать адиабатическим коэффициентом мощности, который в лучшем случае не превышает величины '^¿—0,5,
Следовательно, количество тепла, эквуталентное совершенной механи--ческ1'й работе, равно
($мех = ( 1 —'Кут) г{ад ,Ср.{Тш — Тыд) =
= (1 -0,2). 0,5.0,24. (297—186) = 10,6
кг
■ Где * 1 я'т — коэффициент, учитывающий утечку воздуха из пневматической сети.
Одна часть этой работы, идущая на преодоление трения в механизмах,, подачу вентиляционного воздуха, перемещение грузов по горизонтальному направлению, полностью переходит в тепло н нагревает охладившийся при расширении воздух (рис. 1) до температуры другая часть работы, идущая на перемещение груза по вертикали и разрушение межмолекулярных связей, в тепло не переходит. Соотношение между этими частями работы в каждом отдельном случае будет различным, и пока достоверно неизвестно, но все-таки можно утверждать, что в основном работа, совершаемая сжатым воздухом, переходит в тепло. Ориентировочно примем часть механической работы, переходящую в тепло, равной 80%..
Таким образом, на нагревание воздуха, расширившегося в пневматических механизмах до температуры .Тш от окружающей среды, отнимается следующее количество тепла
(?2 = (1—Кмех) = (1 - 0,8) Л 0,6 = 2.1
кг
где Кмех — коэффициент, учитывающий, какая часть механической работы превращается в тепло.
Значительно больше на охлаждение рудничного воздуха влияет увлажнение его после расширения.
При сжатии в компрессоре и последующем охлаждении относительная влажность сжатого воздуха увеличивается, а абсолютная уменьшается за счет выделения влаги в промежуточном и последующем холодильниках, воздухосборнике и пневматической сети.
После расширения и нагревания воздуха до температуры окружающей среды относительная влажность его, в связи с увеличением объема, резко уменьшается, а затем за счет испарения влаги, находящейся в горных, выработках, сравнивается с влажностью рудничного воздуха. На испарение влаги затрачивается скрытая теплота парообразования, которая отнимается от окружающей среды и тем самым снижает температуру рудничного воздуха.
Определим, сколько поглощается тепла вследствие увлажнения расширившегося сжатого воздуха при установке за компрессором последующего холодильника и без него.
Если за компрессором не установлен последующий холодильник, то можно считать, что сжатый воздух поступает в шахту при относительной влажности <р1 = 20% (í1 = 80°C и рх — 7 ama), и его абсолютная влажность равна [1,14]
i'* = с?!.у, = 0,2.0,293 = 0,059 KZ¡M\
При охлаждении до температуры Тш и расширении до давления Рш вследствие увеличения объема абсолютная влажность воздуха будет
isn - is -^ill- = 0,059 1iL_35Í e 0,011 KZ¡M\
рг.Тш 7.297
Абсолютная же влажность шахтного воздуха при <эш — 85% и = 24°С равна
i'b.n = ?ш.т/ = 0,85.0,0218 = 0,0185 кг':м\
следовательно, для доувлажнения расширившегося воздуха часть влаги должна будет испариться из окружающей среды и тем самым охладить
ресничный воздух, поглотив скрытую теплоту пароо)бразойанйя. Приняв, согласно рш и Тш, удельнйй вес воздуха й йахтё 1,26 кг/м*, получим
Ь,п - is.n) Г _ (0,011 —0,0185). 586 = _ я ñ ккал
ккал
1*26
где г— скрытая теплота парообразования,
кг
Выделение тепла от охлаждения конденсата на (Tt — Тш) градусов, в пределах точности расчета, можно не учитывать.
Если за компрессором установить последующий холодильник и сжатый вОЭДух подавать в шахту при = 100%,^ = tm ~ 24°С и р\~1 ama, то его абсолютная влажность в сжатом состоянии будет [1,14]:
¡S
0,0218 кг/м*.
При расширении воздуха от давления рх до рш и последующем нагревании до температуры окружающей среды Тш абсолютная влажность его рйвиа
7^ = 7/ = 0,0218 -Ы-^0,00343 кг/м\ Р\ 7,0
Абсолютная же влажность шахтного воздуха при принятых условиях, как нами уже было подсчитано, равна
—0,0185 кг/м*.
Следовательно, для доувлажнения расширившегося воздуха часть вла-тй будет испарена из окружающей среды и тем самым от рудничного воздуха отнимается следующее количество тепла:
= - __ (0,00343—0,0185).586 _ ккал.
5 Ъп 1,26 'кг '
Таким образом, каждый килограмм сжатого воздуха, подаваемый в шахту с давлением 6 апги, отработав в пневматических механизмах, передает рудничному воздуху с температурой 24°С следующее количество тепла:
а) без установки последующего холодильника
Д<7 = 0г + + С^' - 13,5 - 2,1 - 3,5 = + 7,9
кг
б) при установке последующего холодильника
&<? = (}2 + (}г' = —2§\ — 7,0 = — 9Д
кг
Следовательно, охлаждение рудничного воздуха за счет применения пневматической энергии возможно только при установке за компрессором последующего холодильника. Если воздух в трубопроводе успевает охладиться до температуры окружающей среды, то количество тепла, поглощаемого сжатым воздухом непосредственно в месте потребления пневматической энергии, не зависит от установки последующего холодильника м равно
А(}ш = + = - 2,1 - 7,0 = - 9,1
кг
т. е. человек, находящийся непосредственно у пневматических механиз-будет наблюдать охлаждающее действие пневматической энергий,
Сделаем пересчет нагревающего действия сжатого воздуха (если за компрессором не установлен последующий холодильник) на I квтя гго-лезно израсходованной энергии, приняв [1,409], что расходу энергии в 2 квщя соответствует расход сжатого воздуха в свободном состояний V = 97,5 -
Щпн — AQ'. V.т = 7,9.97,5.1,2 = 930
квтя.
Определим для сравнения количество тепла, передаваемого рудничному возДуху при применении в шахте электроэнергии.
Общий к.п.д. электроустановки равен
т] = »t¡mp. f¡c.ríde = 0,96.0,95Д85 = 0,77,
где rimp —к.п.д. трансформатора; tjс —к.п.д, шахтной сети; Tjдв —средний к.п.д. электродвигателей.
Следовательно, выделение тепла при использовании в шахте электроэнергии с учетом перехода 80% полученной механической работы в тёя--лobvio составит:
bQ3A= 102.3600 А — ^ j + Кмех-N j =
= -102-3600 - 1 Wo,8.1,0 1=960
427 \ 0,77 / J квтя.
Таким образом, если за компрессором не установлен последующий холодильник, то пневматическая энергия нагревает рудничный воздух
так же, как и электроэнергия.
Выводы
1. Охлаждение рудничного воздуха при применении пневматической энергии происходит только в случае установки между компрессором и воздухосборником последующего холодильника.
2. При охлаждении сжатого воздуха в трубопроводе до температуры окружающей среды выделение холода в местах работы потребителей пневматической энергии не зависит от установки за компрессом последующих холодильников и равно около 9 ккал на килограмм отработавшего компрессорного воздуха.
3. Для увеличения охлаждющего действия пневматической энергии необходимо сжатый воздух охлаждать и осушать на поверхности путем пропускания его через последующие холодильники.
4. Если за компрессором не установлен последующий холодильник, то пневматическая энергия нагревает рудничный воздух не меньше, чем электроэнергия.
5. Последующие холодильники должны не только устранить нагрева-нйе рудничного воздуха, но и уменьшить потерю давления в трубопроводе, которая, как известно, прямо пропорциональна скорости движения воздуха в квадрате.
6. Каждый килограмм сжатого воздуха, подаваемый в шахту при давлении 6 ama и установке за компрессором последующего холодильника, Ио'глощает в среднее око .о 9 ккал тепла, а при работе компрессора без последующего холодильника выделяет в среднем 8 ккал тепла,
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильичев А. С. Рудничные пневматические установки. Углетехиздат, 1953.
2. Шюле В. Техническая термодинамика, т. 1, кн. 1. ОНТИ, НКГП СССР, 1935.
