О концепциях учета влажностных характеристик выработок при тепловых расчетах шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

нако, накладывает требование на идентичность параметра светодиодов, используемых в светильнике, по прямому напряжению падения.

Сравнительные характеристики светодиодного светильника:

• обеспечена конструктивная преемственность;

• энергопотребление понижено на 60% (1,3 Вт при рабочем токе 0,4 А);

• освещенность повышена

на 50% (300 лк на расстоянии 1

м, угол излучения 120);

• существенно повышена надежность излучателя благодаря параллельному независимому включению светодиодов (выход

из строя одного и даже нескольких светодиодов не приводит к отказу светильника);

• в пределах светового пучка обеспечивается весьма однородная освещенность экрана (световое пятно белого цвета с легким сиреневым оттенком);

• повышена взрывобезо-пасность светильника и увеличен срок эксплуатации аккумуляторной батареи (коммутационные токи уменьшены на порядок);

• реализован принцип ограничения энергопотребления при наступлении глубокой разрядки аккумуляторной батареи (в аварийной ситуации светильник обес-

печивает приемлемую освещенность в течение нескольких суток);

• стоимость наиболее дорогих элементов светильника -белых светодиодов может быть компенсирована меньшей емкостью аккумуляторной батареи и, следовательно, меньшей массой источника питания.

Разработка Санкт-Петербургского Горного института получила международное признание. На 51- ом Всемирном салоне инноваций, научных разработок и новых технологий “Брюссель -Эврика - 2002” светильник отмечен золотой медалью.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шувалов Ю.В. , Полтарыхин С.Н. , Федоров В.Л. , Холодилов А.Н. - Санкт-Петербургский государственный горный институт.

© В. И. Самуся, Ю.И. Оксень, 2003

УАК 622.4

В.И. Самуся, Ю.И. Оксень

О КОНЦЕПЦИЯХ УЧЕТА ВЛАЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫРАБОТОК ПРИ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТАХ ШАХТ

Одним из ключевых моментов в тепловых расчетах шахт является учет массообменных процессов, протекающих в горных выработках.

В настоящее время в странах СНГ наибольшее распространение получили методы расчета температурного режима, основывающиеся на заданных законах изменения влажности воздуха в выработках [1]. Согласно этим методам, тепловой поток, поступающий в вентиляционную струю из горного массива, рассчитывается в предположении, что массив и стенки выработки являются сухими. Влияние массообменных процессов учитывается косвенно, путем задания изменения относительной влажности воздуха, которое, собственно, и устанавливает, какая часть тепла, воспринимаемого вентиляционной струей пойдет на изменение температуры воздуха, а какая - на изменение влажности. Поскольку предсказать истинное распределение относительной

влажности воздуха в выработках сложно, результаты расчета температуры в значительной мере отягощаются погрешностью субъективного характера. А то, что эти методы заняли в практике тепловых расчетов шахт ведущее место, объясняется небольшими колебаниями значений относительной влажности воздуха в исходящих струях (в среднем от 0,85 до 0,95), вследствие чего погрешность результатов расчетов, вызываемая этим фактором, является сравнимой с погрешностью от других исходных данных и во многих случаях удовлетворительной.

Существуют, однако, задачи, решение которых требует более строгих подходов. К ним относятся, например, задачи управления микроклиматом шахт, состоящие в выяснении влияния тех или иных управляющих воздействий (изменения расхода воздуха, тепловыделений в выработках, их сечения, начальной температуры и влажности воздуха и др.), на тепловой режим выработок. Методы решения этих задач должны использовать только лишь такие исходные величины, которые характеризуют условия протекания процессов тепломассообмена, а не их результат, каковым является изменение относительной влажности воздуха, так как только в этом случае можно получить объективную оценку изменения микроклимата выработок при изменении условий

его формирования. Разработке математических моделей совместно протекающих процессов тепло- и массообмена в горном массиве и выработках посвящено много исследований.

Ряд работ [2-4] посвящен разработке концепции наиболее полного учета видов переноса влаги в горном массиве и поступления ее в вентиляционную струю. Например, в [2] получено аналитическое решение задач нестационарного охлаждения массива, вмещающего выработку, при нестационарном переносе влаги в массиве под действием разности температур, разности потенциалов массопереноса, с учетом испарения ее на стенках выработки. Бесспорно, эта концепция является наиболее строгой, однако, практическое применение методов, реализующих ее, затрудняется отсутствием и сложностью получения данных о потенциалах влагопереноса и массопроводности горного массива для конкретных выработок.

С точки зрения практических расчетов более перспективными представляются методы, учитывающие процесс поступления влаги из горного массива в вентиляционную струю упрощенно - как процесс испарения ее с увлажненной поверхности выработки. В литературе [5-9] предложен ряд таких методов, различающихся подходами к определению температуры влажной поверхности выработок и критериями оценивания их влажностного состояния. Наиболее корректно взаимосвязь между процессами тепло- и массообмена в горной выработке с частично увлажненной поверхностью учтена в методе [8, 9].

При оценке влажностного состояния выработки его авторами использован подход [10], согласно которому часть поверхности выработки считается абсолютно сухой, а часть - абсолютно влажной, и характеристикой влажностного состояния выработки служит отношение периметра влажной части ивс к периметру и всего поперечного сечения выработки

¥ = ■

U

U

Расчет температуры сухой части поверхности выработки осуществляется в соответствии с полученным А.Н. Щербанем и О.А. Кремневым решением задачи нестационарной теплопроводности однородного бесконечного изотропного горного массива, вмещающего цилиндрическую выработку, при постоянстве температуры воздуха в ней [11]. Для расчета температуры влажной части поверхности выработки принята методика В.А. Стукало и А.М. Гущина [12].

Основу математической модели формирования микроклимата в сквозных горных выработках составляет система дифференциальных уравнений энергетического баланса вентиляционной струи, которая при отсутствии в выработке трубопроводов холодоносителя и других специфических объектов может быть записана в виде:

Gcp dt = a(tC3 - t)Udl + Gg sin у dl + Qldl; (1)

Gdx = в(рНВС - p)yJJdl, (2)

где G - массовый расход воздуха, кг/с; cp - изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); а - ко-

эффициент теплоотдачи от стенок выработки вентиляционной струе, Вт/(м2оС); ?сэ - эквивалентная

температура стенки выработки, °С; ^ - температура воздуха, °С, g - ускорение свободного падения,

м/с2; у - угол наклона выработки к горизонту; Ql -тепловыделения от абсолютных источников тепла в выработке, отнесенные к ее длине, Вт/м; X - влаго-содержание воздуха; в - коэффициент массоотда-чи при испарении влаги со стенок выработки, кг/(Па-м2с); р - парциальное давление водяного пара в вентиляционной струе, Па; рнвс - давление насыщенного водяного пара при температуре влажной стенки выработки, Па; I - длина выработки, м.

В свою очередь,

1сэ = ?сс(! -¥) + ксУ ;

1сс = 1 + ^сс(?пе - 1) ;

^вс — ^пр + ^вс (^пе ^пр ) ;

t = — [(a + Prnp)t + вгпє(\-p)] ;

= f (Fo,BiK);

апр = a+ Prn ; всс = f (Fo,BlK);

^ апт aR0

Fo = -^ ; Вісс =------

Ro A.

R = 2S; - = ;

R0 = U ’ Лп апЄуп ;

чо,81 U І в 0,64a

a = 2,33Z(pw) • \ — \ ; в =-------

) срРб

Ві =ааЛ

p=

Рб G

----—------; w =-----

R(273 +1) pS

p=

-Рб

p = —; Рн = n(t-є),

Рн

0,622 + х

где /сс и /вс - температура сухой и влажной частей поверхности выработки, °С; /пе - начальная (естественная) температура горных пород, °С; всс и 0вс -безразмерная температура сухой и влажной частей поверхности выработки; ап , Лп , и суп - температуропроводность, удельная теплопроводность, и объемная теплоемкость горного массива, окружающего выработку, соответственно м2/с, Вт/(м-°С) и

Дж/(м3-°С); Я0 - эквивалентный радиус выработ-

ки, м; £ - площадь поперечного сечения выработки, м2; £ - коэффициент шероховатости стенок выработки; w - средняя скорость воздушного потока, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3; рб - барометрическое давление в выработке, Па; р - относительная влажность воздуха; т - время проветривания выработки в текущем сечении, с; Я - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг-К); г - удельная теплота

x

Варьируемые величины По методу [1] По альтернативному методу

? °С *н > Ч- V, м3/с £, м2 бабс ■ «Вт ? °С ‘к ■ Ч- Д^НОрМ °с Рн Рк ? °С ‘к ■ Ч- д? алы , °с Д?

20,0 10,0 10,0 0 23,84 3,84 0,85 0,871 24,57 4,57 0,159

24,0 10,0 10,0 0 26,53 2,53 0,85 0,888 27,21 3,21 0,219

20,0 25,0 10,0 0 21,25 1,25 0,85 0,916 21,80 1,80 0,305

20,0 15,0 15,0 0 22,55 2,55 0,75 0,866 22,85 2,85 0,105

20,0 15,0 15,0 0 22,55 2,55 0,85 0,866 23,57 3,57 0,286

24,0 15,0 15,0 0 25,51 1,51 0,85 0,904 26,41 2,41 0,373

20,0 10,0 10,0 100 25,75 5,75 0,75 0,786 27,09 7,09 0,189

24,0 10,0 10,0 100 28,44 4,44 0,75 0,810 29,09 5,09 0,128

20,0 10,0 10,0 100 25,75 5,75 0,85 0,786 27,76 7,76 0,259

24,0 10,0 10,0 100 28,44 4,44 0,85 0,810 29,83 5,83 0,238

20,0 25,0 10,0 100 22,08 2,08 0,85 0,861 23,13 3,13 0,335

24,0 25,0 10,0 100 25,31 1,31 0,85 0,901 26,28 2,28 0,408

20,0 15,0 15,0 100 23,88 3,88 0,75 0,827 24,98 4,98 0,221

24,0 15,0 15,0 100 26,84 2,84 0,75 0,813 27,70 3,70 0,232

20,0 15,0 15,0 100 23,88 3,88 0,85 0,827 25,95 5,95 0,348

24,0 15,0 15,0 100 26,84 2,84 0,85 0,813 28,50 4,50 0,369

20,0 37,5 15,0 100 21,17 1,17 0,75 0,867 21,37 1,37 0,150

20,0 37,5 15,0 100 21,17 1,17 0,85 0,867 22,27 2,27 0,485

24,0 37,5 15,0 100 24,53 0,53 0,85 0,892 25,31 1,31 0,595

парообразования, Дж/кг; п и е - коэффициенты линейной аппроксимации зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры, соответственно Па/°С и °С; Бо - число Фурье; Ысс и Ивс -числа Био для сухой и влажной частей поверхности выработки.

Безразмерная температура как сухой дсс, так и влажной ввс частей поверхности выработки рассчитывается по одним и тем же критериальным уравнениям 6 = /(Бо,Б1) , полученным в [11] в предположении, что массив и стенки выработки - сухие, поскольку в [12] показано, что при линейной аппроксимации зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры задача расчета теплообмена между горным массивом и воздухом при увлажненной стенке путем использования приведенной температуры ^ и приведенного коэффициента

теплоотдачи апр сводится к случаю сухой.

Основной проблемой, возникающей при использовании данного метода, является определение коэффициента влажности выработки / . Вместе с тем, как правило, неизвестны точные значения и ряда других параметров, определяющих условия протекания процессов тепло- и массообмена, главным образом - температуропроводности, удельной теплоемкости горного массива, естественной температуры пород. Чтобы обеспечить возможность решения практических задач, необходимо идентифицировать эти параметры. Для этого разработан специальный метод [13], рассматривающий идентифицируемые параметры как случайные величины с известными статистическими характеристиками для шахты или региона и позволяющий определить такие значения

идентифицируемых параметров, которые обеспечивают соответствие расчетного температурновлажностного режима выработок фактическому и, в то же время, в среднем наименее уклоняются от своих математических ожиданий.

Для сравнения рассматриваемой концепции учета влажностного состояния выработок с концепцией заданных законов изменения влажности выполнен следующий анализ.

В качестве объекта исследования рассматривалась горизонтальная выработка длиной 2000 м, температура пород была принята равной /пе = 38,0 °С,

теплофизические свойства массива ап = 0,76-106 м2/с, суп = 2,3-106Дж/(м3-°С), барометрическое давление рб = 110 кПа, время проветривания выработки в начальном сечении тн = 3600 суток, в конечном - тк = 400 суток, площадь поперечного сечения £ = 12,0 м2, расход воздуха V =19,2 м/с, тепловыделения от абсолютных источников тепла Qабс = 0.

Для температуры и влажности воздуха в начальном сечении /н = 22,0 °С и (рн = 0,8 и влажности в

конечном сечении рк = 0,9 по нормативному методу [1] рассчитана температура воздуха в конечном сечении tк = 23,4 °С (исходный режим).

По этому температурно-влажностному режиму произведена идентификация параметров модели (1) - (2), в результате чего получены: / = 0,391,

ап ид = 0,865-10-6 м2/с, сГпИд = 2,3-106Дж/(м3-°С),

^еид = 40,66 °С. При идентификации математические ожидания теплоемкости, температуропроводности

массива и температуры пород были приняты равными заданным значениям этих величин, т.е. Мг = 2,3-106Дж/(м3-°С), Мп = 0,76-10-6 м2/с,

Суп ' ап

М? = 38,0 °С, а их среднеквадратические отклонения - соответственно ас = 0,31-106Дж/(м3-°С), аа = 0,1-10-6 м2/с, а, = 2,5 °С.

а п ? п

Дальнейшее исследование заключалось в проведении расчетов температуры воздуха в конечном сечении выработки по нормативному [1] и альтернативному (реализующему концепцию коэффициента влажности выработки щ) методам при различных значениях параметров, характеризующих возможные управляющие воздействия на тепловой режим выработок: V , £ , ?н , рн , Qliбс. Расчеты по нормативному методу производились при заданных в рассматриваемом примере значениях теплофизических свойств, температуры горного массива, и относительной влажности воздуха в конечном сечении выработки, одинаковых во всех вариантах рн = 0,8 и

рк = 0,9, а по альтернативному методу - при иден-

тифицированных значениях параметров модели, адаптированной к исходному температурновлажностному режиму. Результаты расчетов приведены в таблице.

Величины Дtнорм и Дальт представляют собой изменения температуры воздуха в выработке, рассчитанные по нормативному альтернативному методам, еА, - относительную погрешность методов, которая определялась по формуле

Дtальт -ДЛнорм

еДt альт .

Анализ приведенных в таблице данных показывает, что относительная погрешность методов, оцениваемая по изменению расчетных температур воздуха в выработке, может быть значительной (до 60 % в условиях рассмотренного примера), что говорит о целесообразности решения задач управления микроклиматом на основе концепции учета влажностного состояния выработки параметром / , независящем от состояния рудничного воздуха.

1. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах. - Макеевка - Донбасс, 1979. - 196 с.

2. Кремнев О.А. Журавлен-ко В.Я. Тепло- и массообмен в горном массиве и подземных сооружениях. - Киев: Наук. думка, 1980. -384 с.

3. Криворучко А.М. Тепловой баланс выработок в глубоких шахтах Донбасса // Вопросы технологии добычи угля и совершенствования горного хозяйства шахт / ДонУГИ. - М.: Недра, 1964. - Сб. № 33. - С. 200210.

4. Ониани Ш.И, Ланчава О.А., Ксоврели Ю.Р. Неизотермический массоперенос в двухкомпонентной системе “горный массив - рудничный воздух” // Горные машины и рудничная гидроаэромеханика: Сб. науч. работ ИГМ АН ГССР. - Тбилиси: Мец-ниереба, 1983. - Вып. 1. - С. 3-6.

5. Добрянский Ю.П, Чер-

няк В.П., Щербань А.Н. Учет взаимного влияния тепло- и массообмена при

вентиляции горных выработок // 24-я Международ. конф. науч.-исслед. ин-тов по безопасн. работ в горной промышленности, г. Донецк, 2328 сентября 1991 г.: Сб. докл. (в 2-х частях). - 1991.- Ч. 2. - с. 323-329.

6. Шувалов Ю.В. Влияние массообмена на теплообмен в горных выработках // Вентиляция шахт и рудников. Аэропылегазодинамика горных выработок: Сб. науч. тр. - Л.: Изд-во ЛГИ, 1987. - С. 63-71.

7. Черняк В.П. Тепловые расчеты подземных сооружений. - К.: Наук. думка, 1993. - 199 с.

8. Оксень Ю.И, Цейтлин Ю.А., Ягнюк Т.В. Моделирование тепловых режимов охлаждаемых горных выработок // Промышленная теплотехника. - 1994. - Т. 16, № 1. - С. 9-19.

9. Оксень Ю.И. Метод расчета

температурно-влажностного режима рудничной атмосферы в сети горных выработок // Гірнича

електромеханіка та автоматика:

МШжгалузев. наук.-техн. зб. - 2001. -Вып. 67. - С. 135 - 141.

СПИСОК ЛИТЕРАТ"РЫ

10. Amano K, Mizuta V, Hiramatsu Y An improved method of predicting underground climate // Int. J. Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts. - 1982. -V. 19, № 1. - P. 31-38.

11. Щербань A.H, Кремнев O.A. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. - К.: Изд. AH УССР, 1959. -Т. 1. - 430 с.

12. Стукало ВЛ, Гущин A.A1. Нестационарный теплообмен между породами и рудничным воздухом при граничных условиях третьего рода, осложненных влагообменом // Изв. вузов. Горн. журнал. - 1984. - № 2. -С. 43 - 48.

13. Oкceнь Ю.И. Метод идентификации параметров тепломассообмена в протяженных горных выработках шахт // Наук. вісник Н^У. -2002. - № 5. - С. 80 - 82.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Самуся В.И. - доктор технических наук, Oкceнь Ю.И. - кандидат технических наук,