К вопросу оценки эффективности электроосмотического способа управления теплообменом в горных породах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.В. Рашкин, О.В. Валова, 2009

А.В. Рашкин, О.В. Валова

К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОГО СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНОМ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Добыча полезных ископаемых является одной из важнейших отраслей промышленности России. Однако значительная часть месторождений полезных ископаемых Сибири и Дальнего Востока находится в криолитозоне с обширным распространением многолетнемерзлых и сезоннопромерзающих горных пород. Разработка таких месторождений проводится с применением специальных способов подготовки: оттаивания мерзлых пород и предохранения талых пород от промерзания.

Одним из способов интенсификации процессов теплообмена в горных породах является способ, основанный на использовании электроосмотической фильтрации [1]. Его сущность заключается в управлении тепло-массообменом в поверхностном слое горных пород с помощью электроосмотического водного потока между поверхностными и погруженными электродами (рис. 1).

Когда поверхностные электроды являются анодами, а погруженные катодами, нагретая в верхних слоях поровая

1

7

2 5

ттттттттшшш

3

б<

Анод (+)

V

V

Рис. 1. Схема для расчета теплообмена в горных породах при электроосмотической фильтрации:

1 - атмосфера; 2 - воздух; 3 -горные породы в области электроосмоса; 4 - горные породы в естественном состоянии; 5 -светопрозрачная пленка; 6 -электроды________________

Катод (-)

V

Т

Катод (-)

\-----------V

196

т т

Анод (+)

\-----------V

4

влага под действием электроосмотических сил перемещается вниз, нагревая более холодные слои (рис. 2). После смены полярности электродов влага поступает в верхние слои и нагревается в них. Затем цикл повторяется. Поверхность горных пород может покрываться светопрозрачными покрытиями для снижения затрат тепла на испарение и излучение. Способ применим в сочетании с пленочными покровами на глинистых породах с низким коэффициентом фильтрации.

Экспериментальное исследование теплообмена в горных породах при электроосмотической фильтрации было проведено с помощью специальной лабораторной установки [2].

Для определения теплотехнической эффективности электроосмоса и энергетических затрат при оттаивании пород необходимо определить количество воды Q, переносимой электроосмотиче-ской фильтрацией к дневной поверхности в единицу времени. Для пластинчатых электродов имеем

Q = kэI/У , (1)

где Q - количество воды, переносимое электроосмосом и отнесенное к 1 м2 поверхности пород, м3/(с х м2); kэ - коэффициент электроосмоса, м2/(с х В); I - плотность тока, А/м2; у - удельная электропроводность пород, 1/(Ом х м).

Для глинисто-песчаных пород установки имеем: kэ = 13 х 109 м2/(с х В) - определен электроосмометром; у = 0,14 (Ом х м)-1. Плотность тока находится в пределах I = 10...40 А/м2, но при этом напряженность электрического тока по условиям электробезопасности Е не должна превышать 100 В/м. Тогда из соотношения

Е = I/у получим I = 0,14х 100 = 14 А/м2. При этих значениях из формулы (1) количество переносимой влаги составит Q =1,3 х 10-6 м3/(с х м2).

В дневное время влагу целесообразно переносить снизу вверх с восходом солнца в 7 часов до момента наступления максимума температуры на поверхности пород 13.14 часов, т.е. в течение примерно 6.7 часов. Затем полярность электродов изменяется, и эта влага переносится вниз до 19 часов, после чего процесс элек-троосмотической фильтрации прекращается. Общее количество перенесенной влаги составит Q = 6 х 3600 х 1,3 х 10~6 = 0,028 м3/м2. Количество тепловой энергии q (Дж/м2), перенесенной влагой за этот период, определится из формулы

Ч = Q х Р х с хДt, (2)

где р - плотность воды, кг/м3; с - теплоемкость воды, Дж/(кг х оС); Дt - средний градиент температуры пород в межэлек-тродном пространстве, оС.

Подставив в формулу (2) соответствующие значения р = 1000

кг/м3, с= 4180 Дж/(кг х оС); Дt =10.15 оС, получим ч = 1170.1756 кДж/(м2 х сут.), что составляет 7,8.11,7 % от суммарной солнечной энергии, поступающей на дневную поверхность в летний период. Заметим, что теплотехнический эффект электроосмоса сопоставим с тепловым эффектом светопрозрачных пленок, применение которых позволяет повысить долю теплового потока в массив горных пород до 10,0 % от суммарной солнечной энергии [3].

Расход электрической энергии на электроосмос составит W = Е х I х t = 100 х 14 х 12 = 60480 кДж/(м2 х сут.) или 16,8 кВт-ч/(м2 х сут.). Эта энергия увеличивает тепловой поток в горные породы за счет джоулева тепла, но, как видно, намного - в 30-50 раз превышает тепловой поток от переноса поровой влаги электроосмосом.

Таким образом, в структуре теплового потока в массив горных пород доля солнечной энергии за счет применения светопрозрачных пленок составляет 1,7-2,0 %, доля солнечной энергии за счет переноса влаги электроосмосом - 1,9-2,0 %, доля джоулева тепла электрической энергии - 95,3-96,4%. Полученные результаты косвенно подтверждают вывод о том, что теплотехнический эффект электроосмоса достигается в меньшей степени за счет переноса

солнечной энергии влагой и в большей - за счет изменения влажностного режима и, соответственно, коэффициента теплопроводности пород в межэлектродном пространстве.

Из анализа экспериментальных данных также следует, что определяющим фактором, оказывающим влияние на температурное поле при электроосмотической фильтрации, является изменение влажности горных пород под действием электроосмотических сил. Самая высокая интенсивность нагрева горных пород отмечается в опытах с пленкой при перемещении поровой влаги вверх, когда влажность горных пород максимальна (напряжение на электродах по схеме: верхний электрод является катодом, нижний - анодом) [2].

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рашкин А.В., Валова О.В. Численное решение задачи теплопередачи на основе электроосмотической фильтрации // Региональная конференция «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья». -Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 56 - 59.

2. Валова О.В. Экспериментальное исследование процессов теплообмена в горных породах при электроосмотической фильтрации // Вестник ИрГТУ. - Иркутск: ИрГТУ, 2006. - № 4 (28). - Ч. II. - С. 28 - 30.

3. Рашкин А.В., Авдеев П.Б., Субботин Ю.В. Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых россыпей. - М.: Изд-во «Горная книга», 2004. - 352 с. \ЕШ

— Коротко об авторах -------------------------------

Рашкин А.В. - доктор технических наук, профессор; Валова О.В. - кандидат технических наук, доцент, Читинский государственный университет, root@chitgu.ru