CC BY
19
Неефективне провтрювання i тепло, що утво-рюються вiд роботи обладнання у камерах шахт, формують несприятливi мiкроклiматичнi умови. З метою полтшення умов пращ в пидземних камерах з працюючим обладнанням запропоновано споыб нор-малiзацii мiкроклiмату та регулювання його пара-метрiв. Вш дозволяе пидтримувати температуру повтря в камерах, швидтсть його руху та виднос-ну волог^ть вiдповiдно до вимог саттарно-гшетч-них норм
Ключовi слова: провтрювання, мiкроклiмат, математична модель теплообмту, турбулентний струмть, вихровий ефект, охолодження, стиснене повтря
□-□
Неэффективное проветривание и тепло от работы оборудования создают в подземных камерах шахт неблагоприятные микроклиматические условия. С целью улучшения условий труда в подземных камерах с работающим оборудованием предложен способ нормализации микроклимата и регулирования его параметров. Он позволяет поддерживать температуру воздуха в камерах, скорость его движения и относительную влажность в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм
Ключевые слова: проветривание, микроклимат, математическая модель теплообмена, турбулентная струя, вихревой эффект, охлаждение, сжатый воздух
УДК 622.418:622.8
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.65087|
РОЗРОБЛЕННЯ ЕНЕРГО-ЗБЕР1ГАЮЧОГО ТА ЕКОЛОГ1ЧНОГО ЗАСОБУ НОРМАЛ1ЗАЦ11 М1КРОКЛ1МАТУ В КАМЕРАХ ШАХТ З ДЖЕРЕЛАМИ ТЕПЛА
Д. О. Лапшина
Астрант
Кафедра рудниковоТ аерологп та охорони прац Криворiзький нацюнальний уыверситет вул. Пушкша, 37, м. Кривий Pir, УкраТна, 50002 E-mail: lapshina.darya@mail.ru
1. Вступ
Видобування багато1 залiзноi руди шдземним способом потребуе здшснення розробки родовищ на великих глибинах [1]. За сучасними проектами, вщпрацювання покладiв шахтами Кривбасу ведеть-ся на глибинах 1300-1500 м в умовах ускладнення вентиляцп Нрничих виробок, зокрема шдземних камер з джерелами надходжень тепла. Найб^ьш несприятливi мiкроклiматичнi умови спостерт-ються в камерах водовiдливiв, де за одночасноi ро-боти двох-трьох насосних установок температура повиря сягае 36-38 °С, а швидюсть його руху через неефективне провирювання знаходиться в межах 0,2-0,3 м/с, що не вщповщае нормативним вимогам [2]. Вщпрацьоване тепле повиря, яке видаеться з го-ризонтiв глибоких шахт, негативно впливае i на стан навколишнього середовища, створюючи зону шдви-щеноi забрудненостi й температури повиря навколо промислових об'ектiв.
Камери водовщливу розташуються на шести-семи горизонтах глибоких шахт у приствольному комплекс виробок. Вщкачування шахтноi води здшснюеться безперервно в об'емi 350-400 м3/год. Зазвичай у камерах водоввдливу розташовуеться 5-6 насосних установок, як е джерелами надходжень тепла - у юлькосп 160 кВт вщ роботи однiеi одиницi обладнання. Вида-лення теплого повiтря з камери водоввдливу усклад-нюеться через вщсутшсть спецiальних вентиляцiйних
виробок i перепаду тискiв на входi i виходi з камери. Несприятливi мiкроклiматичнi умови в камерах водо-вщливу негативно позначаються на продуктивностi та здоров! шахтарiв [3-5].
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
Аналiз iснуючих способiв кондицiювання рудникового повиря в глибоких шахтах дозволяе вид^ити основнi пiдходи до розв'язання питання нормалiзацii мiкроклiмату в прничих виробках, серед яких спо-соби покращення мiкроклiмату в шахтах без засто-сування холодильних машин та з '¿х використанням [6-15]. До способiв зниження температури рудникового повиря, реалiзацiя яких не потребуе застосуван-ня холодильного обладнання, належать: охолодження повггря льодом i холодною розпиленою за допомогою форсунок водою.
Практичний досвiд Канади доводить, що спо-сiб охолодження повiтря льодом можливо реалiзу-вати шляхом заморожування льоду в спещальних камерах, крiзь яю надходить повiтря в шахту. Такий споиб е економiчним i простим та разом iз цим його застосування е найб^ьш доцiльним для охолодження невеликих об'емiв повiтря та в клiматичних районах, де низью температури спостерiгаються протягом тривалого часу, що дае можлившть заготiвлi великоi кiлькостi льоду. Ефективнiсть способу охолодження
повиря водою залежить здебшьшого вiд рiзницi температур води i охолоджуваного повиря. Так, за умови наявност достатньо! кiлькостi води температурою на 8-10 °С нижчою за температуру повиря, то цей спосiб е дешевим та ефективним. Однак, у б^ьшо-стi випадкiв, температура води на робочих мкцях е близькою до температури рудникового повiтря, тому 11 використання потребуе здiйснення попереднього охолодження [16-19]. Крiм того, наявшсть в камерах електрообладнання унеможливлюе застосування в них цього способу.
Застосування способiв полшшення теплових умов за допомогою холодильних машин в тдземних камерах шахт стримуеться !х складною конструкщею, великими габаритами, високою вартштю та необхiднiстю спецiального обслуговування Разом iз цим холодильнi установки працюють з використанням токсичних хол-дагентiв Я-12 та Я-22 заборонених вiдповiдно до Мон-реальсько! угоди [20]. Для ефективного охолодження повггря вихровими кондищонерами необхiдно забез-печувати утилiзацiю гарячого потоку повиря i шуму, що утворюеться вихровими трубами [21].
Таким чином, питання нормалiзацii мiкроклiмату тдземних камер шахт iз працюючим обладнанням залишаеться невирiшеним i потребуе пошуку нових ефективних пiдходiв до його розв'язання. Враховуючи складнiсть i нестащонаршсть теплообмiнних проце-сiв, що мають мiсце у пiдземних камерах з джерелами тепла, дощльним е здшснення математичного моде-лювання, з метою уникнення небажаних помилок в проектуваннi способiв i засобiв нормалiзацii мiкроклi-матичних умов у цих камерах.
3. Мета i завдання дослщження
Метою дослiдження е пiдвищення ефективностi нормалiзацii мiкроклiмату i полiпшення умов працi в тдземних камерах шахт з працюючим обладнанням на пiдставi науково обгрунтованих засобiв охолоджен-ня з використанням математичного моделювання.
Для досягнення поставлено! мети розв'язано таю завдання:
- обгрунтувати можлившть комплексного застосування стисненого повиря в процесi прничого вироб-ництва, зокрема у розробленш нових енергозбер^аю-чих засобiв кондищювання рудникового повiтря;
- розробити конструкщю пневматично-вихрового пристрою для нормалiзацii мiкроклiмату в пiдземних камерах з джерелами тепла i дослiдити його робочi параметри пiд час експериментальних випробувань;
- виконати математичне моделювання процесу охолодження повиря в пiдземних камерах шахт з працюючим обладнанням i розробити програму регу-лювання параметрiв мiкроклiмату пiдземних камерах шахт з працюючим обладнанням спираючись на сучас-нi комп'ютерш технологii.
4. Аналiз напрямкiв застосування пневматично! енерги у технологiчному цики гiрничого виробництва
В процесi прничого виробництва в глибоких шахтах широко застосовуеться енерпя стисненого повиря,
що обумовлюеться високим рiвнем надшносп, безпе-ки в роботi та економiчноi доцiльностi [22]. Великий темп зростання потужноси компресорних станцiй на шахтах пояснюеться тим, що б^ьшкть технолопчних процесiв: бурiння шпурiв та свердловин, !х заряджан-ня; навантаження прсько! маси у вагони; допомiжнi роботи з крiплення, ремонту обладнання та ш. здш-снюються з використанням енергп стисненого повiтря. Разом iз цим, спостерiгаеться тенденцiя до застосування прничого обладнання з гiдравлiчним приводом, що зумовить в майбутньому вив^ьнення частини пневматичноi енергii з технологiчного циклу процеив пiдземноi розробки.
Доцiльнiсть застосування пневматично! енергii в умовах глибоких шахт тдтверджуеться ще й тим, що окрiм вищезазначених переваг з'являеться можливкть и комплексного використання. Це стосуеться тепловоi енергii пiдвищеного (при виробництв^ i пониженого (при споживаннi) температурного потенщалу. Таким чином пневматична енерпя може ефективно засто-совуватися не лише для приводу машин i механiзмiв, але й для кондищювання повиря в гiрничих виробках, зокрема в тдземних камерах рiзного призначення.
В основу розроблення енергозбер^аючого способу охолодження рудникового повиря покладено використання ефекту охолодження, що мае мшце тд час розширення стисненого повиря. Використання вихро-вих труб дозволяе тдсилити цей ефект, що було вияв-лено вперше французьким шженером Ж. Ж. Ранком у 1931 рощ [23] i дослiджуеться багатьма вченими й до сьогодш [24-26]. Охолодження рудникового повiтря з використанням енергп адiабатичного розширення стисненого повиря може ефективно застосовуватися для полшшення теплових умов у камерах, коли температура повиря сягае 30 °С i вище.
5. Експериментальш дослiдження пневматично-вихрового пристрою
Для реалiзацii запропонованого способу розро-блено конструкцiю пневматично-вихрового пристрою (ПВП), схему яко! наведено на рис. 1. Дослщження по-лягали у визначенш кiлькостi та температури холодного i гарячого повiтря, що утворюеться установкою. Температура атмосферного повиря пiд час здшснен-ня випробувань становила 35 °С, а температура стисненого повиря сягала 32 °С. Тиск стисненого повiтря змшювали вiд 0 до 5 кгс/см2. В ходi дослiджень було тдтверджено факт роздiлення стисненого повiтря у вихровш трубi на двi складових: холодну i гарячу. Випробування здшснювалися у два етапи: без тдве-дення холодно'! води в установку та з застосуванням водяно! охолодно! рубашки. На рис. 1 наведено схему експериментальноi моделi пневматично-вихрового пристрою.
Пристрш працюе наступним чином. Стиснене повь тря надходить трубопроводом 14 вщ загальношахт-но! магiстралi до корпусу 1 вихрово! труби, зокрема до равлика 4, де вщбуваеться його розподш згiдно ефекту Ранка на двi частини: холодну та гарчу Цг. Виходя-чи тд тиском iз холодного кшця труби 10, стиснене повiтря адiабатично розширюеться, чим пояснюеться суттеве зниження температури повиряного потоку.
уз
Рис. 1. Експериментальна модель пневматично-вихрового пристрою: 1 — корпус; 2 — гайка гарячого юнця труби; 3 — гарячий юнець труби; 4 — равлик; 5 — д1афрагма; 6— прокладка герметизацп; 7 — гайка холодного юнця труби; 8 — чотирьохлопатева хрестовина; 9 — дросель; 10 — холодний юнець труби; 11 — дерев'яне опорне кшьце; 12 — ртутний термометр; 13 — анемометр; 14 — трубопровщ стисненого пов1тря; 15 — вентиль; 16 - манометр; 17 — дерев'яш опори; 18 — стелаж; 19 - датчик температури; 20 — електроклапан; 21 — пдравл1чна система
ператури пов1тря в гарячому кшщ труби 3 сприймаеться електричним клапаном 15, за допомогою якого збыьшуеться кыькють надходження проточно! води в гщравл1чну систему 14 водяно! рубашки 12.
Результати експериментальних випробувань ПВП апроксимован за лшшним та експоненщальним законом представлен на рис. 2 а, б.
Результати випробувань (рис. 2, а) св1дчать про зниження температури холодного потоку пов1тря з1 збшьшенням тиску стисненого по-в1тря. Так, за р1зних д1аметр1в отво-ру д1афрагми: dд=5 мм; 10 мм; 15 мм значення температури знаходи-лися в межах в1дпов1дно: ^=18,0--3,7 °С; tх=26,0-3,0 °С; tх=28,2-12,4 °С. Оптимальним д1аметром очевидно е dд=10мм - з його використанням одержуеться холодний потж най-нижчо! температури ^=3,0 °С. При цьому температура гарячого повь тря сягала 90 °С. Отриман лшшн залежност1 за результатами випробувань мають висок коефщ1енти кореляцп Я2=0,91-0,97, що св1дчить про достов1рнють результат1в 1 адек-ватшсть !х апрок симаци.
и
25 20 15 10
к. 1)У=< ),351х + 19,69
2> У - -( 3)У = -< ),618х + 31,88 >,426х + 31,32
2 \ ' Я2 = 0,92-0,96
1 3
20
Витрата стисненого пов1тря ^ регулюеться вентилем 15, а тиск кон-тролюеться манометром 16, розташованими на шдвщному трубопрово-д1 14. Кыькють гарячого пов1тря 1 його температура регулюеться дросе-лем 9, так щоб пщтриму-валася умова 2х^тах; 2г^тт.
Для зменшення температури гарячого пов1-тря запропоновано об-ладнати гарячий кшець вихрово! труби охолод-ною водяною рубашкою 12. Застосування водя-но! охолодно! рубашки дозволяе шдтримувати температуру пов1тря в
середин гарячого кшця на р1вн1 Виконання ще! умови контролюеться датчиком температури повгт-ря 13, з'еднаним електрично з електроклапаном 15, який встановлено на пдравл1чнш систем! 14. Шс-ля повного заповнення емкост охолодно! рубашки проточною водою, вона выводиться кр1зь зливний патрубок 16, обладнаний на кшщ верхньо! частини рубашки 12. У випадку, коли умова ^^в не пщтриму-еться, тобто температура гарячого повпря е вищою вщ температури вентиляцшного пов1тря, спрацьовуе датчик 13. Сигнал датчика 13 про перевищення тем-
40
Р. кПа
4 У = 42,947с -1,558х
У = 64,484с -1,851х
у -у = 77,914с 88,614с -1,745х
5 У = 89,726с -1,779х
1 \ Оч II2 - 0 )7-0 98
1 ^ 2
\
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 6«>,л/с
Рис. 2. Результати експериментальних випробувань ПВП: а — граф1к залежност температури холодного пов1тря в1д тиску стисненого пов1тря у маг1страл1 1 д1аметру отвору д1афрагми dд: 1) dд=5 мм; 2) dд=10 мм; 3) dд=15 мм; б — граф1ки залежност1 температури гарячого пов1тря в1д тиску стисненого пов1тря у мапстрал1 та к1лькост1 проточноТ води, що подавалася в охолодну рубашку: 1) Р=10 кПа; 2) Р=20 кПа; 3) Р=30 кПа; 4) Р=40 кПа; 5) Р=50 кПа
Другий етап дослщжень здшснювався 1з засто-суванням водяно! охолодно! сорочки за д1аметру д1афрагми 10 мм 1 полягав у визначенн необхщно! кыькосл води на охолодження гарячо! складово! пов1тря. Для цього у водяну охолодну рубашку ви-пускного патрубку гарячого пов1тря вщ загально! магютрал1 пщводилася проточна вода з температурою 10-12 °С у юлькост 2вд=0,1-0,5 л/с. Результати цих випробувань, наведен! на рис. 2, б, довели можливють зниження температури гарячого пов1тря утвореного у ПВП з 90 до 20 °С, що дозволяе утил1зу-
вати гарячу складову в процес охолодження. Таким чином, обидвi частини стисненого повиря шсля його роздiлення у вихровш Tpy6i можуть бути ви-користанi для охолодження вентиляцiйного повиря та нормалiзацii мiкроклiматy в камерi водовiдливy. Це дозволить уникнути втрат стисненого повиря у гарячому кшщ труби i пiдвищити економiчнiсть функщонування ПВП.
6. Математичне моделювання процесу охолодження
повггря у пщземних камерах з джерелами тепла з використанням ПВП
Трудомштюсть здшснення таких експерименталь-них дослiджень, а також отримання результапв у вузькому iнформацiйному дiапазонi, вказують на не-обхiднiсть застосування сучасних способiв розв'язан-ня цiеi задачi, зокрема математичного моделювання. Оргашзащя на основi отриманих математичних моделей обчислювальних експериментiв iз застосуванням комп'ютерiв дозволить знайти такi параметри установки, що забезпечать оптимальш режими охолодження пiдземноi камери. На першому етат моделювання необхiдно обрати структуру математичноi моделi, яка описуе теплообмшш процеси, що вiдбуваються тд час охолодження рудникового повiтря з допомогою установки.
Конструкцiею ПВП передбачаеться надходження стисненого повиря вiд шахтноi мережi до основного и конструктивного елементу - пневматичного вихро-вого пристрою. Дал^ стиснене повiтря змiшуеться з повирям у вентиляцiйнiй трубi i подаеться у виглядi вiсесиметричного струменя в тдземну камеру для охолодження.
Осюльки струмiнь, що подаеться, надходить у просир пiдземноi камери, то вш може бути вщнесе-ний до затоплених струмешв. Внаслiдок турбулент-носи струмiнь частково змiшуеться з оточуючим повiтрям за рахунок ежекцii, при цьому знижуеться його швидюсть та змшюеться температура. Тур-булентне перемшування струменя з навколишнiм нерухомим середовищем е особливiстю вiльного за-топленого струменя за умови турбулентного режиму. По мiрi просування вперед, струмшь захоплюе все бiльшу масу нерухомого середовища, що гальмуе теч^ на гранищ струменя. В результатi цього при-гальмованi частинки струменя разом iз захопленими ними частинками оточуючого середовища (приед-наною масою) утворюють турбулентний граничний шар, товщина якого безперервно зростае з вщда-ленням вщ початкового перерiзу. При цьому вщбу-ваеться безперервне звуження центрального ядра постiйних швидкостей струменя до повного його зникнення, а граничний шар розповсюджуеться на весь перерiз струменя.
Змшення температури струменя залежить вщ тем-ператури оточуючого повiтря у камерь Для знаходжен-ня структури функцп, що визначае змiнення теплофь зичних властивостей струменя, доцiльно скористатися цилшдричними координатами з розмiщенням початку координат у центрi кола вихщного отвору, горизон-тальну вiсь Ох спрямувати вздовж струменя, а радiус г - перпендикулярно до не'.
В робоп [27] присвяченш дослщженню теплофь зичних властивостей струменiв, доводиться, що структура математично' модели яка описуе надлишкову температуру повиря, по вiдношенню до оточуючого середовища, в довшьнш точцi охолодженого компактного струменя, що витжае з круглого отвору, може бути представлена у виглядi
ДТ(г,х) = ДТн ■ а■j-0 | ■ e
(1)
де ДТ(г,х) = Т(г,х) - Т0, ДТн = Тн - Т0, Т(г,х) - абсолютна температура у точщ струменя з координатами (г, х), °К; Т0 - абсолютна температура оточуючого середовища; Тн - середня абсолютна температура струменя на ви-ходi з установки, °К; г0 - радiус вихiдного отвору установки, м; а, Ь, с - числовi параметри.
Для знаходження значень числових параметрiв, що входять у формулу (1), скористаемося результатами до-слiджень параметрiв охолодного струменя в умовах тд-земно' камери водовiдливу шахти iм. Артема ПАТ «Ар-селорМiттал Кривий Рт>, якi наведено у табл. 1.
Таблиця 1
Значення надлишковоТ температури тд час витоку струменя з пневматично-вихрового пристрою
X, м 5 10 15 20 25
г, м 1,5 2,0 2,5 2,0 1,5
ДТ, K -13 -12,2 -11,6 -11 -8,8
ДТр,К -13,007 -12,82 -10,86 -10,51 -9,56
На пiдставi вимiрювань здiйснених пiд час експе-риментальних дослiджень, у подальших розрахунках було прийнято To=305 К, Тн=285,4 К, г0=0,15 м.
Для зручност знаходження числових параметрiв i спрощення форми запису вiдповiдно до даних, на-ведених у табл. 1, дощльно перетворити формулу (1) шляхом логарифмування i опустити фyнкцiональнy залежшсть ДТ вiд координат г та x
П = а + b + c ■£,,,,
(2)
де
П = ln
ДТ
ДТ
; a = lna, ^ = ln| | I; ^2 = 1X I .
Для знаходження числових параметрiв, якi входять лiнiйно у формулу (2), було застосовано метод наймен-ших квадратiв, реалiзований фyнкцieю, що входить до складу «Майстер функцш» Microsoft Excel.
За результатами проведених розрахунюв було от-римано таю значення a=2,779, b=0,6771, c=-9,053. При цьому коефвдент множинноi кореляцii дорiвнював R=0,9926, що вказуе на тшну кореляцiйнy залежнiсть. З урахуванням отриманих значень формула (1) набу-де виду
ДТ(г,х) = 16,103 ДТн |
(2<x< 12 ). (3)
e
Розрахунок за формулою (3), що наведений в ос-танньому рядку табл. 1, демонструе практичний зб^ даних експерименпв i результапв розрахункiв.
Формула (3) дозволяе досл^ити температурне поле струменя. Якщо прийняти, що е певш значення надлишково' температури ДТтщ, ДТсер, АТтах, якi до-щльно розглядати у якостi граничних, то теплова да-лекобiйнiсть струменя - вдатань, на якiй закiнчуеться в^чутний струмiнь, визначаеться за формулами
Хтах = 29,75 • г
Хсер = 29,75 • г0 •
ДТ,.
\2
ДТ
\2
Хкр = 29,75 • г0
ДТ
V сер У
ДТ
ДТ
V тах У
^=0. dx
Гтах = 5,35 ' Г0 •
ДТн ДТ -
масових витрат вентиляцшного Мв i холодного Мх повiтря. Частка вентиляцшного пов^ря в охолоднiй повiтрянiй сумiшi на виходi з установки «Клiмат» становила 15 % i зб^ьшувалася поступово до 93 % по мiрi просування охолодного струменя по довжиш камери.
(4)
(5)
(6)
Мiнiмальна величина надлишково' температури визначае лiнiю iзотерми, що вiдповiдае зовнiшньому контуровi струменя. Цю iзотерму можна визначити як граничну шляхом шдстановки ДТтЬ у формулу (4). Критична вдатань за вшсю струменя, на якому вш ма-тиме найбiльшу товщину, визначиться для гранично! iзотерми умовою [28] з урахуванням ДТтах
(7)
При цьому максимальна середня та м^мальна товщини струменя визначаються за такими формулами:
(8)
Рис. 3. 1зотерми охолоджувального струменя: 1-ДТт1п=7 К, ДТсер=9К, ДТтах=11К
Разом iз цим, дослiджувалося збiльшення плошд поперечного перерiзу струменя зi збiльшенням дов-жини його розповсюдження. Так, площа поперечного перерiзу випускного отвору трубопроводу, яким охо-лодний струмшь подавався у камеру в^ установки становила S=0,0176 м2. Площа поперечного перерiзу охолодного струменя на в^сташ L=5-25 м змшювала-ся у межах S=4,33-19,32 м2.
Внасл^ок розширення охолодного струменя i його теплообмшу з оточуючим повiтрям у камера змшюва-лася температура охолодно!' повiтряноi сумiшi: вiд 0 °С (на виходi з трубопроводу) до 12-24,8 °С (по довжинi камери). Температура пов^ря у камерi протягом ви-пробувань змiнювалася у межах Тк=36-21,2 °С, а в^-носна волопсть - у межах ф=62-65 %.
За результатами експериментальних досл^жень отримано емпiричну залежнiсть для визначення кое-фiцiента ефективностi охолодження % шдземнш ка-мерi водовiдливу:
Гсер = 5,35' Г0
гкр = 5,35' г0 •
\2
ДТн ДТ
сер
ДТ
ДТ
V тах У
(9)
(10)
На рис. 3 наведено iзотерми струменя, розрахо-ваш за формулами (8)-(10) для величин ДТт^, ДТсер,
ДТтах.
Аналiз iзотерм, наведених на рис. 3, св^чить про те, що охолоджувальна далекобшшсть струменя зменшу-еться зi зб^ьшенням надлишково!' температури. Так, за мшмально!' надлишково!' температури, яка дорiв-нюе ДТтщ=7 К, охолоджувальна далекобiйнiсть струменя та його ширина е максимальними: хтах=34,9 м, 2гтах=12,58 м. Критичт !'х значення хкр=14,16 м, 2гкр=5,096 досягаються за максимальних значень ДТтах=11 К.
Разом iз цим, опрацювання результаив експериментальних досл^жень передбачало визначення
п = ьу-05ДТмспк
и ТМ,СС„
(11)
де L=5-34,9 м - довжина розповсюдження охолодного струменя; V=0,34-2,52 м/с - швидюсть руху повь тря у струмеш, мае тенденцiю до затухання зi зб^ь-шенням довжини розповсюдження; ДТк=11-14,8 °С -величина змiнення температури пов^ря у камерi протягом випробувань; Тх=0-11,8 °С - температура охо-лодженого повiтря на виходi з установки; Мв=7,4--12,14 кг/с - масовi витрати вентиляцiйного пов^ря з урахуванням ежекцii оточуючого пов^ря в камерi; Мх=0,11-0,345 кг/с - масовi витрати холодного повь тря; Св=Сх=1,005 кДж/кгК - теплоемнiсть холодного i вентиляцiйного повiтря (постiйна для температур Т=0-40 °С); п=0,2-0,6 с-1- кратшсть повiтрообмiну; к=0,015-0,01 - коефщент захаращення камери облад-нанням установки «Клiмат»
Результати розрахункiв, здiйснених за формулою (11), представлено на рис. 4.
Залежносп, що представлен на рис. 3, описуються такими рiвняннями:
y=8E-05x3-0,0054x2+0,0986x-0,02; R2=0,9564;
y=9E-05x3-0,006x2+0,1104x-0,1133; R2=0,9786.
Отримаш коефiцieнти R2 вказують на високу до-CTOBipHiCTb апроксимацiï.
Рис. 4. Ефективжсть охолодження nt в тдземнш KaMepi водовiдливу в зaлeжностi вщ тиску P стисненого повiтpя i дaлeкобiйностi / охолодного струменя: 1 — за експериментальними значення; 2 — за розрахунковими значеннями
За результатами дослвджень розроблено програму для управлшня мiкроклiматом в тдземних камерах з застосуванням пневматично-вихрового пристрою i вщцентрового вентилятора. Вона написана мовою програмування Visual Basic for Applications в Excel та мае нескладний штерфейс.
Робота з програмою здшснюеться у два кроки, першим з яких е задання параметрiв для моделювання, а саме: початковоï температури повiтря в KaMepi tn, Ki.nbKOCTi вентилящйного повiтря необхiдноï для ефективного провiтрювання, або тиску стисненого повггря, що пiдводиться до ПВП для нормалiзацiï теплових умов у тдземнш камерь Користувач задае параметри для моделювання шляхом '¿х вибору серед можливих варiантiв передбачених пiд час розроблення програми (рис. 5).
Так для режиму «Провирювання», який ефективно застосовувати, якщо t0 не перевищуе 30 °С, розраховано опти-мальнi значення м3/с: 0,075; 0,11; 0,146; 0,162; 0,197; 0,235. Для режиму «Охолодження», який дощльно засто-сувати, якщо t0 перевищуе 30 °С, опти-мальними значеннями Р, кПа е такк 10; 20; 30; 40; 50; 60.
Другим кроком е отримання результату моделювання - кiнцевоï температури в камерi tR в графiчному i аналiтичному виглядi вiдповiдно до рiвняння tR=a^e-bx, при чому значенню «х» вiдповiдають оптимальш значення Цв, або Р ввдповвдно до обраного режиму програми. Розрахунок здшснюеться автоматично тсля задання вихщних параметрiв i натискання користувачем кнопки «Моделювання» (рис. 6, а, б).
Рис. 5. Крок 1: Задання пapaмeтpiв для моделювання
ПАТ «Арселор-Митал Кривий Рк» i горизонт 527 м шахти iм. Леш-на ПАТ «Кривбасзалiзрудком» (Украïна) з такими результатами:
- можлившть зниження температури повиря в камерi з 36 °С до 22 °С;
- пiдтримання швидкостi руху повiтря в камерi в межах 0,5-1,5 м/с;
- тдтримання вiдносноï во-логостi в камерi на рiвнi 62-65 %; що ввдповвдае вимогам саштар-но-гiгiенiчних норм.
7. Висновки
Рис. 6. Крок 2: Результат моделювання — визначення tK. а — режим пров^рювання; б — режим охолодження
Застосування цiеï програми дозволяе користува-чевi регулювати параметри мiкроклiмату в пiдземнiй камерi з оптимальним використанням ресурсу стисненого та вентилящйного повиря.
6. Апробащя результатiв дослiджень
Отриманi результати математичного моделювання процесу охолодження повиря в тдземних камерах з джерелами тепла лягли в основу розроблення комп-лексноï технологи нормалiзацiï мiкроклiмату в тдземних камерах. Ця технолопя передбачае полшшення мiкроклiмату з використанням пневматично-вихрово-го пристрою i регулювання його параметрiв. Вона про-йшла промисловi випробування i була впроваджена в умовах камери шахтного водовщливу, горизонт 475 м
1. Дослщження фактичного стану мiкроклiмату в пiдзем-них камерах шахт показали, що найб^ьш несприятливими те-пловими умовами вiдрiзняються камери водовiдливу, де за одно-часноï роботи трьох насосних установок, температура повиря в камерi сягае 36-38 °С, а швид-юсть руху повiтря внаслiдок не-ефективного провирювання у бiльшостi камер знаходиться в межах 0,2-0,3 м/с.
2. Обгрунтовано можливiсть ефективного застосування пне-вматичноï енергiï не лише для приводу машин i механiзмiв, але й для кондищювання повиря в гiрничих виробках, зокрема в тдземних камерах рiзного при-значення.
3. Запропоновано споаб охолодження рудникового повиря з використанням енергп адiабатичного розши-рення стисненого повiтря, для реалiзацiï якого розро-блено конструкщю пневматично-вихрового пристрою.
4. За результатами математичного моделювання процесу охолодження повиря в пiдземних камерах визначено параметри охолоджувального струменя, утворюваного ПВП, серед яких: максимальна дале-кобiйнiсть хтах=34,9м та ширина 2rmax=12,58 м. Доведено можливкть здiйснення охолодження повиря за повним об'емом камери з коефвдентом ефективностi П=0,3-0,5.
5. Розроблена охолоджуюча установка ПВП i про-грама регулювання параметрiв мiкроклiмату в тдзем-них камерах дозволяе забезпечувати полшшення умов пращ персоналу i тдтримувати температуру повиря вщповщно до вимог саштарно-гтешчних норм.
Лiтература
Ступшк, М. I. Комбшоваш способи подальшо! розробки зашзорудних родовищ Кривор1зького басейну. [Текст] / М. I. Ступшк, С. В. Письменний // Вюник Кривор1зького нацюнального ушверситету. - 2012. - Вип. 95 (1). - С. 3-7. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений подземным способом [Текст]. - М.: Недра, 1977. - 225 с.
3. Лапшин, О. G. Теплообмш 1шж водою шахтних водозбiрникiв i пов^рям [Текст] / О. 6. Лапшин, А. А. Немченко, В. А. Коно-валюк, Д. О. Лапшина // Вюник криворiзького нацiонального ушверситету. - 2012. - Вип. 33. - С. 94-96.
4. Лапшин, О. G. Дослщження пов^рообмшу в камеро подiбних виробках з великими теплопритоками [Текст] / О. G. Лапшин, А. А. Немченко, В. А. Коновалюк, Д. О. Лапшина // Вюник криворiзького нацюнального ушверситету. - 2013. - Вип. 34. -С. 235-238.
5. Johnson, O. S. Thermo- and psychrometric properties of intake air passing through fragmented strata [Text] / O. S. Johnson // 11-th U.S./North American Mine Ventilation Symposium, 2006. - P. 251-259. doi: 10.1201/9781439833391.ch36
6. Немченко, А. А. Нормализация микроклимата в подземных камерах шахт [Текст]: мiжнар. конф. / А. А. Немченко, Д. А. Лапшина // Сталий розвиток промисловост та сусшльства, 2012. - С. 252-253.
7. Бойко, В. А. К вопросу о выборе способа и средств нормализации тепловых условий в подготовительных горных выработках глубоких шахт Донбасса в период их проходки [Текст] / В. А. Бойко, А. В. Бойко // Науковий вюник НГУ. - 2009. - С. 23-26
8. Лапшин, А. А. Промышленные исследования микроклимата и состояния проветривания горных выработок в глубоких рудных шахтах [Текст] / А. А. Лапшин // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2014. - № 1. - С. 76-79.
9. Алексеенко, С. А. Классификация способов и средств регулирования теплового режима шахт [Текст] / С. А. Алексеенко, И. А. Шайхлисламова // Сталий розвиток i штучний холод, 2012. - С. 501-505.
10. 10. Bluhm, S. Important basics of mine ventilation and cooling planning [Text] / S. Bluhm, F. von Glehn // Journal Mine Ventilation Society South Africa. - 2004. - Vol. 57, Issue 1. - P. 15-24.
11. Akande, J. M. Modelling of Okaba Underground Coal Mine Ventilation System [Text] / J. M. Akande, O. Moshood // International Journal of Engineering and Technology. - 2013. - Vol. 3, Issue 7. - P. 766-772.
12. Marx, W. Design of energy efficient mine ventilation and cooling systems [Text] / W. Marx, F. von Glehn, R. W. Wilson // 8th U.S./ North American Mine ventilation Symposium, 2006. - P. 641-648. doi: 10.1201/9781439833391.ch39
13. Belle, B. K. Energy savings on mine ventilation fans using 'Quick-Win' Hermit Crab Technology-A perspective [Text] / B. K. Belle // 12th U.S./North American Mine ventilation Symposium, 2008. - P. 427-433.
14. Ratner, G. Underground auxiliary ventilation monitoring and diagnostic system [Text] / G. Ratner, S. Viviers // The Australian Mine Ventilation Conference, 2013. - P. 57-62.
15. Rawlins, C. Underground mine heat loads and associated reduction methodologies [Text] / C. Rawlins // Journal Mine Ventilation Society South Africa. - 2004. - Vol. 57, Issue 1. - P. 25-30.
16. Пат. на корисну модель 71727 Украша МПК F23D 11/12. Гiдравлiчна форсунка Лапшина [Текст] / Лапшин О. 6., Лапшин О. О., Гашнський В. С. та ш. - заявник i патентовласник Криворiзький нацюнальний ушверситет. - № u201200123; заявл. 04.01.2012; опубл. 25.07.2012, Бюл. № 14.
17. Пат. на корисну модель 71139 Украша МПК B01F 5/00. Охолодний ежектор Лапшина [Текст] / Лапшин О. О., Деньгуб, Лапшина Д. О. та ш. - заявник i патентовласник Криворiзький нацюнальний ушверситет. - № u 20111391; заявл. 07.11.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 13.
18. Лапшин, А. А. Повышение эффективности охлаждения рудничного воздуха форсуночным орошением [Текст] / А. А. Лапшин, В. И. Ляшенко // Цветная металлургия. - 2014. - № 1. - С. 8-14.
19. Лапшин, А. А. Охлаждение рудничного воздуха с использованием шахтных вод [Текст] / А. А. Лапшин // Горный журнал. - 2014. - № 5. - С. 13-17.
20. Алабьев, В. Р. Анализ условий образования опасных концентраций хладагента в горных выработках при эксплуатации шахтной холодильной техники [Текст] / В. Р. Алабьев // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - 2004. - № 1. - С. 184-190.
21. Тынына, С. В. О повышении эффективности систем местного кондиционирования тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт [Текст]: межвед. сб. науч. тр. / С. В. Тынына // Геотехническая механика. - 2009. - Вып. 82. - С. 211-219.
22. Герасименко, Г. П. Комплексное использование пневматической энергии при отработке глубоких месторождений [Текст] / Г. П. Герасименко. - М.: Недра, 1971. - С. 7-16.
23. Ranque, G. J. Experiments on expansion in a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air [Text] / G. J. Ranque // J Phys Radium (Paris). - 1933. - Vol. 4. - P. 112-114.
24. Перепелица, В. Г. К вопросу о возможности применения вихревых охладителей при создании систем кондиционирования тупиковых выработок глубоких шахт [Текст]: сб. науч. тр. / В. Г. Перепелица, С. В. Тынына // Геотехническая механика. -2008. - № 77. - С. 154-159.
25. Chang, K. Experimental Investigation of Vortex Tube Refrigerator with a Divergent Hot tube [Text] / K. Chang, Q. Li, G. Zhou, Q. Li // International Journal of Refrigeration. - 2011. - Vol. 34, Issue 1. - P. 322-327. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2010.09.001
26. Nian, L. Experimental study of the Couple Characteristics of the Refrigerants and Vortex Tube [Text] / L. Nian, W. Zheng, H. Xiaohong, C. Guangming // International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2014. - P. 15-18.
27. Волков, К. Н. Турбулентные струи - статистические модели и моделирование крупных вихрей [Текст]: монография / К. Н. Волков, В. Н. Емельянов, В. А. Зазимко. - М.: Физматлит, 2013. - 360 с.
28. Абрамович, Г. Н. Теория турбулентных струй [Текст] / Г. Н. Абрамович. - М.: Физматгиз, 1960. - 652 с.
