CC BY
16
- © Л.Ю. Левин, М.А. Семин,
Ю.А. Клюкин, 2013
УДК 622.4
Л.Ю. Левин, М.А. Семин, Ю.А. Клюкин
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПОДАЧИ ОХЛАЖДЕННОГО ВОЗДУХА КАК СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ШАХТ
Строится математическая модель воздуховода с распределенной раздачей охлажденного воздуха. Определяются условия, обеспечивающие равномерность поля температур воздуха по пути следования воздуховода. Анализируется влияние количества участков подачи охлажденного воздуха на эффективность использования холодильной мощности.
Ключевые слова: рудничная вентиляция, нефтешахта, воздушно-депрессионная съемка, термо-влажностная съемка, тепломассообменные процессы, микроклиматические параметры шахтной атмосферы, установка кондиционирования воздуха, математическая модель, воздуховод распределенной раздачи, мощность теплового потока, дифференциальное исчисление, исследование эффективности, коэффициент теплоотдачи, уравнение баланса энергии.
Введение
Задача нормализации микроклиматических условий в рабочих зонах может решаться посредством проведения горнотехнических мероприятий, а в случае их неэффективности или невозможности проведения находят применение теплотехнические средства регулирования микроклиматических параметров шахтной атмосферы, такие как система кондиционирования воздуха [1, 3, 4, 6, 7]. При этом основным критерием выбора конкретного способа нормализации микроклиматических параметров является энергоэффективность. Проведенные исследования направлены на повышение энергоэффективности системы транспорта и подачи охлажденного воздуха в рабочие зоны с неблагоприятным тепловым режимом.
Принцип работы исследуемой системы заключается в распределенной подаче охлажденного воздуха к потребителям с транспортировкой воздуха по воздуховоду. Целесообразность данного подхода определяется возможностью обеспечения меньшей интенсивности теплообмена свежего воздуха с источниками тепловыделения — породным массивом транзитных выработок, за счет использования теплоизоляционных материалов. Применение принципа распределенной подачи свежего воздуха особенно целесообразно в системах кондиционирования воздуха протяженных рабочих зон с равной вероятностью нахождения людей в любой её точке (см. рис. 1).
Для обеспечения температуры шахтного воздуха Т, не превышающей максимально допустимую Тдоп (регламентируемую правилами безопасности) по длине всего рассматриваемого участка шахты, наиболее эффективным будет обеспечение равномерного поля температур Т = Тдоп вдоль всего участка воздуховода.
=ы
Ох
т
Ох,
т
Ох,
у
о
В случае однородного поля температур окружающего породного массива равномерное поле температур воздуха
Т = Тдоп в выработках с
воздуховодом будет достигнуто при равномерной по охлаждающему эффекту раздаче охлажденного воздуха из воздуховода. При этом раздача охлажденного воздуха будет неравномерной по массе.
Требуется оценить степень неравномерности массовой подачи охлажденного воздуха по участкам воздуховода, а также исследовать зависимость эффективности использования холодильной мощности установки кондиционирования воздуха от количества участков подачи охлажденного воздуха из воздуховода.
Постановка задачи Для оценки степени неравномерности массовой подачи охлажденного воздуха строится одномерная математическая модель горной выработки и установленного в ней воздуховода. Охлажденный воздух поступает в выработку непрерывно по всей длине воздуховода (см. рис. 2). На входе в расчетную область (X = 0) задается массовый расход и темпера-
Рис. 1. Принципиальная схема вентиляционного става кондиционирующей установки (1 — воздухоохладитель, 2 — воздуховод распределенной раздачи, 3 — горная выработка)
С* ^ С* ^ С» С С* ^
А
в
и
Рис. 2.. Геометрическая модель воздуховода непрерывной раздачи
т, . ёОХ (х)
X — координата вдоль выработки, м; I (X) = ■
¿Х '
6х
массовая интенсивность подачи охлажденного воздуха из воздуховода в выработку
тура шахтного воздуха ОШ (0) = ОШ 0, денного воздуха ОХ (0) = ОХ 0.
ТШ (0) = ТШ0 , а также расход охлаж-
Температура окружающего выработку породного массива равна ТМАС = const. В процессе движения воздуха по выработке на её поверхности происходит конвективный теплообмен с породным массивом по закону
wX) =арТмАс - Т(x)), (1)
где а — коэффициент теплообмена, Вт/м2/К, P — периметр выработки, м, w( x) — погонный тепловой поток, Вт/м.
Количественная оценка подачи охлажденного воздуха через воздуховод в горную выработку
При количественном анализе принимается гипотеза о равномерности поля температур в горной выработке вдоль пути следования воздуховода. Строится уравнение теплового баланса, в котором приравниваются два «противоборствующих» физических тепловых процесса: тепловой поток от примешивания охлажденного воздуха и тепловой поток вследствие теплообмена с породным массивом. В результате получается следующая зависимость для объемного рас-
хода воздуха в шахте по пути следования воздуховода:
, _____02 +\(о + О )02 - О 02' 1 5
¿Ш W ^Ш 0 ^ Гк ^Ш 0 ^ VХ 0> ^Ш 0
ОШ (X) = (ОШ00■ 2 +\0 + ОХ0 ) - ОШ
(2)
где Ь - длина воздуховода, м.
Равновесная и однородная температура Г шахтного воздуха, которая достигается в процессе охлаждения, определяется следующим образом
т = 1. 49Ь • Тмас +рСуЯ° Т ° • [{Ош ° + Ох о )° 2 - Ош °° 2 ] (3)
где р - плотность воздуха, кг/м3, су - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/кг/°С, Я - радиус выработки, м, 5 - площадь выработки,
м2, V( х) - скорость шахтного воздуха, м/с. Коэффициент теплообмена а принимался пропорциональным V08 [2].
Из (2) следует, что количество охлажденного воздуха, подаваемого из воздуховода непрерывной раздачи, должно рассчитываться по следующей формуле
Ох (X) = f Ош00 2 + \0 + Ох0 ) - Ош0"
(4)
В случае небольших вариаций температур в шахте данная формула применима как для массовых, так и для объемных расходов.
Формула (4), выведенная для идеализированного случая непрерывной подачи охлажденного воздуха из воздуховода, применима также для случая дискретной подачи на конечном количестве участков подмешивания охлажденного воздуха. Для получения расхода О на 1-м участке подмешивания охлажденного воздуха требуется проинтегрировать (4) с весом, равным длине участка (рисунок. 3).
Рис. 3. Расходы воздуха, поступающего в выработку по длине Ош 0 = 13 кг / С , Ох 0 = 6 кг / С,
Ь = 600 м
Рис. 4. Зависимость суммарной мощности теплообмена ТТ' по выработке от величины А расстояния между соседними участками подачи свежего возду-
Т = 40°С
1МАС ^ ■■
Т = 24°С
доп
Значительная неоднородность подачи охлажденного воздуха объясняется существенно неравным соотношением начального количества воздуха в выработке ОШ0 и
воздуховоде ОХ0 .
Исследование влияния величины расстояния А между соседними участками подачи свежего воздуха на эффективность использования холодильной мощности
Суммарная (по всей длине воздуховода) мощность теплообмена IV между воздухом и стенкой породного массива [2] в случае дискретной подачи охлажденного воздуха с расстоянием А между соседними участками подачи охлажденного воздуха рассчитывается по формуле
_ т \РСУ5К „
1 доп )
W = (1
(
МАС
2а
\
(5)
Как видно из рисунка 4,
с ростом расстояния между соседними участками подачи охлажденного воздуха суммарная интенсивность теплообмена также возрастает, что ведет к увеличению требуемой мощности холодильной машины. К примеру, для принятых расчетных параметров и для расстоянии А = 50м между соседними участками подачи свежего воздуха требуемая холодильная мощность увеличивается на 4 % в сравнении с вариантом непрерывной подачи, а при А = 350м - на 19 %.
Заключение
В процессе проведенных исследований был разработан алгоритм анализа теплового режима шахт и рудников для внедрения системы кондиционирования шахтного воздуха с распределенной раздачей охлажденного воздуха по выработкам. Получены зависимости требуемого количества охлажденного воз-
духа на каждом участке от параметров теплового режима, позволяющие обеспечить требуемые микроклиматические условия в шахтной атмосфере. Также были исследованы вопросы технической реализации данного подхода к распределению охлажденного воздуха по протяженным рабочим зонам и получены количественные зависимости требуемой холодильной мощности от расстояния между участками подачи охлажденного воздуха. Применение воздуховода распределенной раздачи в системе кондиционирования воздуха на практике целесообразно, к примеру, в условиях системы разработки Ярегского нефтяного месторождения с протяженными буровыми галереями, значительными тепловыделениями из породного массива, а также высокой плотностью расположения добычных скважин [5].
Исследования выполнены при финансовой поддержке Уральского отделения Российской академии наук проект № 13-5-ИП-366 «Разработка шахтной установки кондиционирования воздуха как компонента системы регулирования теплового режима глубоких рудников».
1. Величко А.Е., Кузин В.А., Яковен-ко А.К. Оценка существующих зависимостей теплового расчёта воздуха в горных выработках. - В кн.: Кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах, вып. 6. /Сб-к научн. трудов. - Макеевка-Донбасс: Изд-во МакНИИ, 1978, с. 19-24.
2. Довгий А.Е., Яковенко А.К., Бодня С.Ф. Некоторые результаты исследований теплового режима в горных выработках и меры по повышению эффективности местного охлаждения воздуха в глубоких шахтах. - В кн.: [19], с. 37-43.
3. Дуганов Г.В., Баратов Э.И. Тепловой режим рудников. - М.: Госгортехиздат, 1963. - 144 с.
4. Исаевич А.Г., Трушкова H.A., Шалимов А.В. Регулирование теплового режима атмосферы рабочих зон при термошахтной отработке пластов неглубокого залегания. Горный информационно-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. Т.29. №1. С. 97100.
5. Левин Л.Ю., Кормщиков Д. С. Особенности добычи высоковязкой нефти на примере Ярегского месторождения. Научные исследования и инновации. 2010. Т.4., № 2. С. 33-36
6. Мартынов А.А., Лунев С.Г., Яковенко А.К. Прогнозирование и разработка комплекса мер по нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких угольных шахт на ПЭВМ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2003.
7. Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultra-deep platinum mining. The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Левин Лев Юрьевич - доктор технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический университет», профессор кафедры РМПИ, aerolog_lev@mail.ru, Семин Михаил Александрович - младший научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, mishkasemin@gmail.com
Клюкин Юрий Андреевич - Горный институт Уральского отделения Российской академии
наук, младший научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики,
aero_yuri@mail.ru
