CC BY
12
^_
--© В.К. Костенко, И.Р. Венгеров,
2008
В.К. Костенко, И.Р. Венгеров
О РЕЖИМАХ РАБОТЫ ШАХТНЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Сложившаяся в угольной промышленности Украины кризисная обстановка вызвана как организационно-техническими так природными факторами. За почти двухвековой период разработки ценных каменноугольных месторождений Донбасса, залегавшие на сравнительно небольших глубинах, мощные угольные пласты исчерпаны. Разработку средней и малой мощности пластов приходится осуществлять в метановой области углепо-родного массива, при температурах относительно неустойчивых вмещающих пород более 30...50 0С. Выемка угля сопряжена с необратимыми негативными последствиями экологического характера: минерализацией поверхностных и подземных вод; выбросами парниковых и радиоактивных газов и аэрозолей; деформациями и изъятием под отвалы поверхности. Результатом этого стало монотонное уменьшение с годами мощности отрабатываемых пластов, углубление рабочих горизонтов, ухудшение безопасности ведения горных работ, рост себестоимости добытого угля. Состояние шахтного фонда и существующие технологии, наряду с организационно-экономическими проблемами, не позволяют существенно изменить эту тенденцию. Один из возможных путей преодоления кризиса - применение качественно новых технологических подходов к разработке подземных месторождений.
В перспективе представляется возможным использование на глубоких шахтах геотермальной энергии для технологических целей и для реализации потребителям в виде электрической и тепловой энергии или других типов продукции. Прогресс современных технологий когенерации и тригенерации энергии низкопотенциальных тепловых источников открывает перспективы утилизации теплоты извлекаемой из недр в виде воздушногазовых, водных, уг-лепородных потоков. При этом предполагалось использование таких теплоносителей как исходящая воздушная вентиляционная
85
струя, откачиваемые воды, каптируемый метан, извлекаемые уголь и порода. Однако проведенные оценки показали, что указанные сравнительно небольшие тепломассопотоки не обеспечивают значительных экономических результатов при существующих ценах на энергоносители из-за высоких эксплуатационных затрат [1].
Увеличить объемы извлекаемой из недр энергии можно за счет использования теплового потенциала выработанных пространств. Основанием для такого предложения послужили результаты многолетних наблюдений за температурой воздуха, движущегося по протяженным вентиляционным маршрутам. Отечественные и зарубежные исследователи установили, что воздух, проходящий несколько километров по подземным горным выработкам, нагревается до температуры окружающего массива. Такой тепловой режим может оставаться постоянным в течение десятилетий [2]. Причиной этого является поток теплоты поступающей из недр планеты. В какой-то степени инертности этого процесса способствует подпитка теплым воздухом в летний период, когда температура поступающего в шахту воздуха превышает среднегодовой уровень, составляющий для Донбасса около 9 0С.
Увеличить объем извлекаемой энергии можно, создавая в отработанных частях горного массива, так называемые, шахтные геотермальные теплообменники (ШГТ) [3]. Они представляют собой систему каналов-выработок в выработанном пространстве лавы, по которым движется теплоноситель, как правило, воздух (рис. 1). Лабиринтная конфигурация сети каналов может иметь самую разнообразную схему: последовательную, параллельную, комбинированную. Она должна гарантировать нагрев проходящего через нее воздуха до температуры окружающих пород в течение нескольких десятков лет.
Необходимая конфигурация сети каналов создается с помощью вентиляционных сооружений, в основном перемычек. Производя переключение потоков, с их помощью можно обеспечивать рекреацию отдельных участков теплообменника, увеличивая продолжительность его функционирования. Создание каналов в выработанном пространстве в настоящее время не представляет технических трудностей. Сотрудниками ДонНТУ были разработаны и широко апробированы в условиях глубоких шахт способы проведения и охраны подготовительных выработок в выработанном
86
пространстве [4]. Кроме того, известны технологические схемы выемки угля с неполной закладкой
р, Холодный воздух »■► Нагретый воздух ф Вихревая труба
___ Канал в
выработанном пространстве
1. 1 1 1 ГЛ1 1 1 ]
г / I; 1 М / 11 ' 1 11 /1 1 / г| ч
IК потре-| бителям теплоты
/ / /
1 //| \! 'I
1 1 I 1 ! 1 1 1 !
Рис. 1. Схема геотермального теплообменника в выработанном пространстве, образовавшемся после выемки угля
выработанного пространства, остающиеся при этом незабученные участки могут служить каналами. Системы разработки крутопадающих и наклонных пластов позволяют бурить в выработанном пространстве скважины большого диаметра. Крепь выработок-каналов может быть не столь плотной и не обеспечивать значительного отпора горному давлению, так как в каналах не требуется пребывания людей, а в случае завала отдельные ветви лабиринта можно выключать из сети.
После того, как воздух проходит по лабиринту каналов, нагретый до температуры горного массива он поступает в трансформатор энергии, это может быть тепловой насос, вихревая труба, тур-бохолодильник или устройство другого типа. Происходит разделение потока на две струи - горячую и холодную. Первую из них можно использовать для получения электроэнергии путем прямого превращения тепла в электричество или с помощью паротурбинной установки. Газ, нагретый выше температуры кипения воды можно использовать для выпаривания высокоминерализованной шахтной
87
воды, превращая ее из загрязнителя гидросферы в продукт для промышленности или сельского хозяйства [5].
Еще один из возможных путей утилизации геотермальной шахтной энергии - использование ее для проветривания шахт. Известно, что тепловая депрессия может обеспечить подачу в шахту и к рабочим местам шахтеров необходимого расхода воздуха. Для этого необходимо нагреть исходящий из выработок воздух, чтобы его плотность снизилась относительно поступающего в шахту. Использование геотермальной энергии позволяет обеспечить нагрев потока исходящего воздуха до нужной температуры [6].
Вторая струя преобразованного в трансформаторе энергии воздушного потока - холодная может быть использована для кондиционирования воздуха на рабочих местах. При этом наличие геотермальных теплообменников позволяет решить одну из наиболее сложных задач, возникающих при обеспечении нормального микроклимата в очистных забоях - проблему удаления из горных выработок нагретого теплоносителя. Использование предлагаемой технологии позволяет охлаждать воздух в непосредственной близости от места подачи в лаву, а образующееся избыточное тепло выбрасывать в каналы геотермального теплообменник, увеличивая его ресурс [7].
Можно выделить несколько характерных режимов работы теплообменников. При проходке выработок - режим строительства (РС), при их эксплуатации в качестве ШГТ - основной режим "разрядки" аккумулятора тепла или рабочий режим (РР), горный массив вокруг каналов охлаждается за счет теплообмена с вентиляционной струей. Этому предшествует период "выстаивании" свеже-пройденной выработки, т.е. восстановлении первоначального температурного поля массива или подготовительный режим (ПР). Подобный период существования ШГТ необходим для восстановления после расчетного времени эксплуатации - режим "зарядки" аккумулятора тепла (РЗ), при этом охлажденная зона массива прогревается за счет теплопритоков из недр.
Рассматривается эксплуатационный режим (РР) шахтного геотермального теплообменника [4, 8]. Цель моделирования - определение оптимальных параметров сооружения и эксплуатации ШГТ, т. е. размеров и вида сечения выработок, способа их соединения, времени эффективного теплоотвода от массива, теплоприращения воздушной струи и пр. Данные математического моделирования
88
предполагается использовать для технико-экономического обоснования, проектирования, строительства и оптимальной эксплуатации ШГТ.
Температурное поле в горном массиве, согласно оценкам [9], считаем одномерным и нестационарным: Т=Т(г,г). Следующие из уравнения теплопроводности в горном массиве оценки ширины охлажденной зоны в нем, позволяют принять для последней выражение [10-12]:
3(г) = Я3(!) - Яа = 44м (1)
Здесь Я3(г) - радиус охлажденной зоны, Яа - радиус выработки, а - температуропроводность массива, г - время.
Из определения понятия "охлажденная зона массива" [9], следуют условия:
дТ
= а, г>а, (2)
г = ед ' ^
где Тп - естественная температура горных пород на данной глубине.
Следуя А.Ф.Воропаеву [13], аппроксимируем температурное поле в горном массиве кривой второго порядка по г: Т(г/) = А(г) + В(г)г + С(г)г2, ге[Я0,Я3 (г)]. (3)
Определим температуру стенки горной выработки (поверхности теплообмена горного массива с воздушной струей):
Т (г,')
= Я3 (г) Тп' дг
Т (г,' )
= Т (г). (4)
г» ст V ' V '
г = Я0
Полагая функцию Тст(г) известной, используем (2) и (4) для определения функций Л(1), Б(1;) и С(1;) в (3). Подставляя (3) в первое из условий (2), находим:
ТП = А (г) +в (¿)ед+с (()Я32(0. (5)
Аналогично из второго условия (2) и (3) следует: В (г) + 2С (г) Я3(г) = 0. (6)
Из (3) и (4) получаем: Тст (г) = А(г) + В (г) Я + С (г) Я2. (7)
Решив систему (5), (6), (7) относительно А(г), В(г), С (г), приводим (3)к виду:
89
т(г,0 = Т-(Т -Т (0)) г
к ' п Уп стУ>\-^
у
Плотность потока тепла q = от стенки выработки к воздушной струе теперь легко найти, используя (8):
, = 2(Тп -Тст , (9)
q (I ) = Л— у } дг
^) -
здесь X - коэффициент теплопроводности горного массива.
С другой стороны, условие теплообмена стенки выработки со струей воздуха, имеющей температуру Тв ) (граничное условие III - го рода) имеет вид:
q (0 = а[Тт (^ - Тв (0], (10)
где а - коэффициент теплообмена, определяемый согласно [9]. Исключая из (9) и (10) q = q(t), находим, с учетом (1): , ч Т + 2В!Ж х Тв ^)
Т- )= п , + 2В,^В . (11)
Здесь обозначены безразмерные числа: В1а - Био;
Л
м
^0 =—-- Фурье. Поскольку температура стенки изменяется по ходу струи воздуха, как и температура этой струи, в (11) можно записать: Тст = Тст (х, ^0) , Тв = Тв (х, ^0) , (где х > 0 - координата вдоль выработки, отсчитываемая от входного сечения геотермального теплообменника).
Для описания изменения температуры воздушной струи вдоль выработки ранее было обосновано [14] уравнение:
дх- = К[ТСт (х,^0)-Тв (х^)] , х> 0 (12)
где К = аП/срБУ , П,Б - соответственно периметр и площадь сечения выработки ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, V - скорость (средняя по сечению) воздушного потока. Обозначая температуру воздуха во входном сечении выработки -Тв1 () , граничное условие для уравнения (12) записываем в виде:
90
гв ( fo)
x = 0
= ^ (Fo), Бо>0
Подставив (11) в (12), приведем последнее к виду:
дТ
— = N (Fo )Гв (х, Fo)+ М (
где N (Fo) = -
Г
М (Fo) = -
КГ
(13)
(14) (15)
1 + 2В1^К0 0 1 + 2 В^^^/^ Решение уравнения (14), удовлетворяющее (13), полученное
преобразованием Лапласа по х, имеет вид:
Гв (х,к) = Гв1 (К) + [ - ГВ1(Fo)]
(
1 - ехр
КХ
V
(16)
1 + 2
Рассмотрим поведение ГВ (х, F0) при граничных значениях и х. При F0 из (16) следует: ГВ (х, F0 ) ^ ГВ1 (К0 )(F0 ^да) . Этот
результат соответствует физике процесса, т.к. после бесконечного времени процесса теплообмена он прекращается, тепло из массива к воздуху не поступает и температура последнего не меняется. При х ^ 0 из (16) следует (13), как и должно быть. На очень большом (при х ^<х>) удалении от входного сечения, температура воздуха: ГВ (х, К0 Гп (х ^<х>), что также соответствует физике процесса,
т.к. температура воздуха, возрастающая вдоль выработки, нигде не может превысить температуру горных пород - Тп
Использование геотермальной энергии может производиться в течение многих лет после отработки запасов полезного ископаемого. Продолжительность действия геотермальных теплообменников определяется устойчивостью выработок и надежностью оборудования. Полезная длительная работа энергоустановок существенно улучшает экономические показатели горнодобывающих предприятий. Добавленная к объему полезного ископаемого полученная дополнительная энергия и продукция, при отнесении к основным и оборотным производственным фондам, позволят значительно улучшить такой показатель как фондоотдача предприятия.
Длительная работа теплообменников позволяет уменьшить социальные проблемы шахтерских регионов из-за необходимости сохранения части рабочих мест после прекращения работ по выемке
91
угля, надежного обеспечения населенных пунктов относительно дешевым теплом и электроэнергией.
Предложенный способ извлечения геотермальной энергии с точки зрения экологических последствий является относительно безвредным и позволяет уменьшить вред, наносимый в процессе добычи угля.
Изложенные в настоящей работе технические предложения являются идеями, которые нуждаются в технико-эконо-мическом обосновании, конструкторской проработке, связанными с этим термодинамическими расчетами, проведении дополнительных экспериментов. Однако они могут послужить одним из путей обеспечения энергетической безопасности Украины и преодоления кризиса в ее угольной промышленности.
Выводы
1. Предложена технология обеспечивающая: извлечение геотермальной энергии из горного массива; снижение затрат на ведение горных работ и негативного воздействия на окружающую среду за счет сокращения расхода электроэнергии, получаемой из невосполнимых и исчерпывающихся видов энергоносителей.
2. Предложенный способ извлечения геотермальной энергии из отработанных массивов позволяет улучшить фондоотдачу угледобывающих предприятий. При этом эксплуатацию основных фондов можно продолжать в течение нескольких десятилетий после окончания выемки угля.
3. Геотермальную энергию следует использовать, в первую очередь, для нужд шахты в виде дешевой электроэнергии. Кроме того, ее можно применять для кондиционирования воздуха, проветривания горных выработок, деминерализации воды и в других целях.
4. Разработана математическая модель шахтного геотермального теплообменника позволяющая осуществить численные расчеты, проанализировать влияние "входных данных" на параметры извлечения тепловой энергии.
5. Извлекаемая из отработанных пространств теплота позволяет получить эколого-экономический эффект в виде сокращения расхода энергоносителей на добычу угля, получения доходов от реализации тепла и деминерализованной воды.
6. Социальный эффект от внедрения предлагаемого способа заключается в улучшении обстановки в районе шахты и обеспече-
92
нии в длительной перспективе занятости людей, обслуживающих геотермальную установку.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поиск и использование дополнительных источников энергии в шахтах /Й.Сулковский, Я.Дренда, З.Розаньский/ Netradicní metody vyuzití lozisek/ Vzsoká skola báüská - Technická univerzita Ostrava // Ostrava 12-13 Listopad 1998, -S. 259267.
2. Knechtel J. Badania nad mozliwoscia wykorzystania ciepla geotermalnego wynoszonego z powetrzem kopalnianym na powierzchnie/ Zeszyty naukowe Politechni-ki Slaskiej. Seria: GORNICTWO, z. 270. //Gliwice. 2005. -S 257-264.
3. Зборщик М.П., Назимко В.В. Охрана выработок глубоких шахт в зонах разгрузки. - Киев: Техн1ка, 1991.-248 с.
4. Костенко В.К., Костенко О.В., Костенко Т.В. Споаб одержання геотер-мальноï енерги/Патент на корисну модель №17751, Опубл. 16.10. 2006, бюл. №10.
5. Костенко В.К., Кольчик А.Е. Экологически чистая технология очистки шахтных вод. Матерiали III Наук.-практ. конф. "Донбас 2020", -Донецьк: ДонНТУ,
2006. - С. 62-67.
6. Костенко В.К., Костенко Т.В, Ббтогурова С.Ю. Споаб провггрювання ша-хти/Патент на корисну модель №17297, Опубл. 15.09. 2006, бюл. №9.
7. Костенко В.К., Афанасьев С.В., Алекаенко С.А. Споаб кондицюнування шахтного повпря. Пат. UA №17204 Опубл. 15.09.2006, бюл. №9.
8. Костенко В.К., Горожанкин Б.В., Венгеров И.Р. Математическое моделирование режимов работы шахтного геотермального теплообменника. Известия Донецкого горного института, №2, 2007. - С.10-15.
9. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт: В 2-х томах. - Киев: Изд - во АН УССР, 1959, т.1. - 430 с.
10. Черниченко В.К., Венгеров И.Р. Метод определения ширины охлажденной зоны породного массива. - В кн.: Охлаждение воздуха в угольных шахтах, вып. 3. - Макеевка - Донбасс: Изд - во МакНИИ, 1973, с. 29 - 33.
11. Венгеров И.Р., Кузин В.А. О формировании температурных полей вокруг выработок глубоких шахт. - Уголь Украины, 1982, №7, с. 40 - 41.
12. Венгеров И.Р. Хроноартефакты термодинамики. - Донецк: «Норд-Пресс», 2005. - 236 с.
13. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. - М.: Недра, 1966. - 219 с.
14. Костенко В.К., Венгеров И.Р. Определение параметров когенерационно-го геотермального теплообменника/Bezpecnost v prumyslu (pozar-vybuch-havarie) sbornik prednasek 6. mezinarodni konference akciove spolecnosti /VVUU. Ostrava,
2007. -S 147-153. ES
— Коротко об авторах -
Костенко В.К., Венгеров И.Р. - НТУ, Украина.
