CC BY
56
УДК 622.41 Л.Ю. Левин
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ОБОГРЕВА ШАХТНЫХ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ
Приведены основные принципы расчета систем обогрева шахтных воздухоподающих стволов с помощью программных пакетов «Trkolor» и SolidWorks с аэродинамическим приложением COSMOS Flo Works
щ большинство существующих сис-Л-М тем обогрева шахтных стволов имеют значительный процент износа и требуют полного капитального ремонта. Однако восстановление таких систем воздухоподготовки, с запроектированными в 50-е годы технологиями нагрева и подачи воздуха в ствол, не имеет ни какого смысла. Так как принципы, на которых основывался подход к разработке калориферных установок, на сегодняшний день являются морально устаревшими и слабо проработанными как в научном, так и в проектном планах. Нормативная документация и пособия по калориферам содержат много спорных положений.
Основной целью реконструкции систем воздухоподготовки должна быть разработка принципиально новых схем и технологий подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами рудничного воздуха для обеспечения здоровых и безопасных условий труда в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках. Для чего не-обходимо грамотное моделирование и расчет, как отдельно каждого технологического узла в системе воздухоподготовки, так и всей системы в целом.
Под расчетом основных технологических узлов следует понимать:
- расчет теплогенерирующего оборудования (калориферов, газовых теплогенераторов и т.д.);
- расчет распределения воздушных потоков в помещении кало-
риферной, образующихся между калориферами и теплогенераторми с учетом гидростатического давления;
- расчет калориферных каналов или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов, с учетом конвективных воздушных потоков;
- расчет копра и средств его герметизации с учетом технологии оборудования подъема;
- расчет надшахтного здания с определением возможных тепловых утечек и определением способов их уменьшения;
- расчет влияния технологического оборудования ствола (скипов, клетей и т. д.) на качество работы системы воздухоподготовки;
- расчет мест слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами, определение качества перемешивания этих струй и эффективности обогрева шахтного ствола.
Пр О СМО т р
Темп.воздуха на входе (град.Ц)
Темп.воды на входе <град.Ц>
Общ.нач.расх.возд.<м.куб/ч>
Общим расход воды <кг/час>
Число калориферов в обвязке Число обвязок в ряду Число рядов по возд. <паралл.>
Тип калориферов - КСК4-12 Усреднение Т после каждого ряда <}общ.<м.куб/час> 7200Ш0.00
Относит.влажн.воздуха (х) 0.0
ши
115 504000.ШИ 85000.00 2 20 1 ►
►
Скорость воды: 0.
§ Нач.скорость воздуха: 1.4Ш7 м/с | Коэфф.теплопередачи: 28.65 Вт/<кв.м*град.Ц>| йэродин .сопротивление: 29.23 Па |
| Гидродин.сопротивление: 8568.10 Па |
| Тепл.нагрузка=си»чи*<Тмк5-Ти0>:7379.43 кВт | | Общий кон.расход воздуха: 584980.20 м.куб/ч| Для одной калориФ. с общим расходом ()общ: |
| Требуемая тепл.нагрузка: 6599.53 кВт | Сумм.темпер. в стволе: 5.07 град.Ц
А И X Выход Нижняя калориферная
Температура по ходам (град.Ц):
Вода(кон - > ВоздухСср.>
Сперв.ряд> (поел.ряд >
102.4 26.2
90.9 21.6
80.5 17.5
71.0 13.7
62.4 10.3
54.5 7.2
47.4 4.3
40.9 1.8
Ср.темп.возд.в конце:12.8 гр.ЦЦ
Ср .плотн.возд.: :1.333 кг/куб.м.
Рис. 1. Диалоговое окно программно-вычислительного комплекса «Тг_ко1ог»
Для расчета каждого технологического узла системы воздухоподготовки в нашей лаборатории разработаны соответствующие методики расчета [1, 2, 3], которые вошли в программновычислительный комплекс «Tr_kolor». Эта программа позволяет рассчитать и подобрать основное технологическое оборудование с учетом индивидуальных особенностей каждого воздухоподающего ствола и разработать основные технические решения по реконструкции и проектированию энергосберегающих систем воздухоподготовки для рудников.
На рис. 1 представлено одно из диалоговых окон программно-вычислительного комплекса «Tr_kolor», отражающее основные технические параметры системы воздухоподготовки.
Однако все перечисленные выше методики имеют двухмерную постановку задачи, поэтому с целью окончательной детальной проработки с учетом всех геометрических особенностей предлагаемой системы нами выполняется
трехмерное моделирование и численный эксперимент.
Одним из передовых направлений в трехмерном моделировании является прикладной пакет программ -SolidWorks. Пакет является наиболее удобным и доступным в освоении и занимает ведущие позиции среди продуктов этого класса. Система SolidWorks -это стандартный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс и эффективное твердотельное моделирование на промышленном уровне. Структура модели в SolidWorks такая же, как и во всех пакетах параметрического моделирования. В основе модели лежат конструкционные элементы - плоскости, точки или оси, на которых из "элементов эскиза" (т.е., отрезков, дуг и т.д.) строятся "эскизы" - 2-х или 3-х мерные кривые, как правило замкнутые. Эскизы, в свою очередь, являются основой для "элементов детали" из которых строится деталь.
На рис. 2 и 3 представлен вариант трехмерной модели здания калориферной, согласно плану реконструкции воздухо-
Рис. 2
Рис. 3
нагревательной установки ствола №1 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий».
Системы приточной вентиляции для ствола предполагается выполнить на базе сдвоенных воздухонагревателей ТС-
Рис. 2. Трехмерная расчетная модель системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4: 1 -
канатные отверстия скиповых канатов, 2 - канатные отверстия клетье-вых канатов, 3 - отверстия, моделирующие подсосы в надшахтное здание, 4 - модели газовых теплогенераторов
Рис. 3. Трехмерная расчетная модель системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4: 1 -
компенсационные проемы, 2 -
верхний калориферный канал
800 производства фирмы во-GaS. Номинальный расход воздуха
на один воздухонагреватель -90 000 м3/час. Подача воздуха осуществляется существующим центральным шахтным вентилятором.
Установки выполняются из нержавеющей стали с модулированными (плавнорегулируемыми) горелками.
КПД при максимальной нагрузке не менее 91,2 %. В разрезе года расчетный КПД значительно выше. Это определяется тем, что при промежуточных по нагрузке режимах при работе с модулированными горелка-ми вследствие значительного запаса по поверхности происходит охлаждение дымовых газов до «точки росы» и выпадение конденсата из дымовых газов, т. е достигается максимально возможная эффективность использования топлива.
В зимнее время воздух забирается вне помещения и направляется в воздухонагреватели, где нагревается до определенной заданной температуры не за-
Предусматривается автоматическое поддержание заданной температуры в точке на 5 м ниже примыкания к стволу шахты вентиляционного канала. Реальная температура в точке регулирования выводится на центральный щит.
Все установки работают на общие калориферные каналы. Подача воз-духа в шахту осуществляется вентилятором главного проветривания, т. е. теплогенераторы не имеют своих нагнетательных устройств.
Продукты сгорания отводятся за пределы помещения на высоту >25 м.
Рис. 4. Газовые теплогенераторы в трехмерной модели системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4
висимо от температуры наружного воздуха.
Построение и аэродинамический расчет проекта выполнены в программном пакете - SolidWorks и приложении COSMOS Flo Works.
После построения трехмерной модели с целью подтверждения аналитических расчетов и предложенных технических решений в программном пакете COSMOSFloWorks был выполнен аэродинамический расчет системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4.
Исходные данные в программном пакете COSMOSFloWorks для расчета задавались следующим образом:
1. Калориферные установки.
Каждый теплогенератор состоит из полого корпуса и «крышки» (рис. 4). «Крышка» состоит из 10 отверстий одинакового диаметра - 760 мм, суммарной площадью 4,5 м2 (рис. 5). Через размер эквивалентных отверстий задается определенное аэродинамическое сопротивление теплогенераторов. Для задания параметров в графическом пакете Solid-Works все отверстия закрываются тонкими заг-лушками. Параметры калориферных установок: давление окружаю-
щей среды - 101325 Па; температура
Рис. 5. Ввод исходных данных теплогенераторов для расчета системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4
Рис. 6. Ввод исходных данных утечек надшахтного здания и копра для расчета системы воздухоподготовки ствола №1 рудника БКПРУ-4
Рис. 7. Ввод исходных данных ствола для расчета системы воздухоподготовки
ствола №1 рудника БКПРУ-4
Рис. 8. Поле скоростей и поле температур в системе «ствол -ферная»
надшахтное здание - калори-
15 °С (принята из аналитических расчетов в ПВК «Тг_ко1ог»); интенсивность теплопередачи одного теплоге-нератора
- 1000 Вт.
2. Утечки воздуха через надшахтное здание и копер.
Отверстия (0,5х0,5 м), моделирующие утечки воздуха через скиповое и клетьевое отделение, а также
отверстия моделирующие утечки через ворота здания копра. Как и в случае с калориферными установками все отверстия закрыты тонкими «крышками», на которых в свою очередь задаются параметры необходимые для расчета: давление окружающей среды - 101325 Па; температура -35 °С (рис. 6).
3. Параметры для шахтного ствола.
Как и в двух предыдущих случаях нижняя часть ствола закрыта тонкой «крышкой». Параметры: объем потока на выходе 16000 м3/мин (рис. 7).
В результате расчетов были получены трехмерные поля температур и скоростей. Результаты вычислений приведены на рис. 8.
1. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Научнотехнический журнал «Горная механика». Соли-горск, 2001, №1-2.
2. Левин Л.Ю. Исследование и разработка энергосберегающих систем воздухоподготовки
Результаты, полученные в результате численного моделирования, позволили оценить качество принятых и рассчитанных аналитическим путем технологических решений и эффективность работы проектируемой системы воздухоподготовки в целом.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
для рудников. Дис. ... канд. техн. наук:
25.00.20: Пермь, 2004, 170 с.
3. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Тепломассообмен в энергосберегающих системах обогрева шахтных стволов рудников // Изв. вузов. Горный журнал. Екатеринбург, 2004. №5. [ЕШ
— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------------
Левин Л.Ю. - Горный институт УрО РАН.
Статья представлена Горным институтом Уральского отделения Российской Академии Наук.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
АРАНСИБИЯ Алака Вальтер Формирование и развитие конкурентных преимуществ горнорудных предприятий Боливии 08.00.05 08.00.14 к.э.н.
