CC BY
60
ЭКОНОМИКА И МЕНЕДЖМЕНТ
■ оШОШИЯ ГШРЙШРЙОВ РОССИИ
Ю.В. Шувалов, А. Мохамад,
А.П. Бульбашев, 2000
УДК 622.271:622.807
Ю.В. Шувалов, А. Мохамад, А.П. Бульбашев
УСТРОЙСТВА ДЛЯ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ВОЗДУХА
Д
етальный анализ средств и способов борьбы с пылью на карьерах, выполненный И.Г. Ищуком и Г.А. Поздняковым [1], Н.З. Битколовым и И.И. Медведевым [2] и др. свидетельствует о целесообразности использования для борьбы с пылевыделением на основных технологических процессах с стационарными и полустационарными источниками мокрых способов с интенсивным диспергированием водных растворов в теплый период года и сне-гообразованием в холодный. Об этом же свидетельствует и большой положительный практический опыт.
В основу конструирования различных снегогенераторов, анализ которых приведен в работе [3], заложены принципы фазовых переходов диспергированной воды при свободном падении в потоке воздуха, движении затопленных струй в непод-
вижном воздухе, противоточном, поперечном или прямоточном движении воздуха, предварительном переохлаждении капель в камере смешивания с потоком расширяющегося сжатого воздуха и др.
Наиболее простыми по исполнению, но энергоемкими, являются способы снегообразования гидро- или аэропультами с дальноструйным (30100 и даже 350 м) выбросом диспергированной в форсунках воды и её замерзанием при движении в атмосфере. Гидропульты обеспечивают дальнобойность за счет высокого давления воды (более 1 МПа), пневмопульты - за счет напора мощных движителей - вентиляторов или газовых турбин. Практический опыт применения последних для борьбы с пылью на карьерах описан в работе [4].
Генерация снега в холодный период года осуществлялась с помощью мощных вентиляторов-оросителей
НК-12-КВ-1М на базе турбовинтовых двигателей, обеспечивавших дальнобойность потока до 300-350 м и свободное падение капель с высоты более 40 м. При температуре воздуха ниже -12 оС две установки обеспечивали снегообразование при суммарном расходе воды 600-1320 м2/ч и затрачиваемой мощности 22000 кВт-ч.
Более компактными и эффективными по затратам энергии являются снегогенераторы с использованием сжатого воздуха для диспергирования воды и начального переохлаждения капель, положительный практический опыт применения которых для пыле-подавления был получен Н.З. Битко-ловым [5] и рядом других исследователей [2, 3]. Наиболее значительные конструктивные результаты и полноту исследований термодинамики процессов снегообразования и пылеподавления следует отметить у М.Т. Осодоева [3].
Основным снегообразующим элементом различных устройств, сконструированных и испытанных в ИГД ЯФ СО РАН является пневмогидрав-лическая форсунка [6, 7] (рис. 1 а, б, в), в которой вода под давлением по каналу 3 через радиальную выточку 4 и кольцевую щель 5 поступает в смесительную камеру 6. По каналу 8 сжатый воздух подается через сопло Лаваля в смесительную камеру 6, диспергируя воду и далее водо-воздушная смесь поступает через диффузор 7 в выходное отверстие, где охлаждается воздухом, прошедшим через второе сопло Лаваля 12 и направляется в атмосферу.
Конструктивное исполнение
Рис. 1а. Устройство для получения искусственного снега: 1 - корпус; 2 -кожух; 3 - канал для подвода воды; 4 - радиальная выточка; 5 - кольцевая щель; 6 -смесительная камера; 7 - диффузор; 8, 10 -каналы для подачи холодного и горячего воздуха; 9, 12 - сопла Лаваля; 11 - кольцевая полость.
Рис. 1б. Конструкция пневмогид-равлической форсунки: 1 - кожух 2 -канал для подачи воздуха, 3 - смесительная камера, 4 - диффузор, 5 - канал для подвода воды, 6 - радиальная выточка, 7 - кольцевая щель.
Рис. 1в. Принципиальная схема универсальной пылеподавляющей установки: 1 - кожух; 2 - вентилятор; 3 - Y-образная стойка; 4 - рама; 5 - шарикоподшипники; 6 - блок пневмогидравлических форсунок; 7 - фиксатор
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ снегогенераторов [3] для борьбы с пылью
с НомИШВйЦК пыли Iх Хар іктеристики цхегогенератор а IIIх Условия раб о- Примечание
замерное се-іение а Рж МПа в Jж а м3^ ин Рв М б Па м3 в 'ч Т °С а*ых снег д б Ф а б в
Темррчвурагля )АїТг КГ-8И - 05 0 6 -410 10 -7 0, -6, 2 -4, 2 -585 % 85 % -6 5-4 7 0,8 -5 -6 -6,5
Оіогрузка угля Э 0 2 -10 7-12 0 8 Пыле 330,6 % 96,5% подавлені о - вода - вода+Ш е
х х Скорость воздуха, м/с 3,2 1,8 ),3 1,7 0,3 3 1 6 0, 25 0,3 + №С1
) ЙЙЯравл ейййнвйЩния воОдуха и подачи водій ,6эвпа хОфаправления движения воздуха и подачи воды проти іают вополож ны 90 % -15 -40 0,7
Бурение скважин 2СБШ-250Н 1,0 4 0,6 4,8 72 % -32 0,8 Начальная запыленность воздуха 1,9 г/м3, при работе СГ 0,22 г/м3
устройств для пылеподавления при добыче, погрузке и транспортировании горной массы базируется на универсальном блоке (рис. 1.в) с различными дополнительными элементами (ходовая тележка, обогреватели, устройства для охлаждения и подогрева сжатого воздуха и т.д.). В испытанных устройствах диаметр сопла Лаваля изменялся от 3 до 15 мм. При диаметре 3-5 мм расход сжатого воздуха составлял 0,5 м3/мин, давление 0,5 МПа, давление воды 0,03 МПа, а расход 0,27-0,32 м3/ч. Наблюдалось стабильное снегообразование (85-90 % выход снега) с размерами кристаллов 50-250 мкм и плотностью снега 300400 кг/м . Испытания различных устройств для пылеподавления (табл. 1) свидетельствуют о высокой эффективности их использования.
Конструкции установок с прямоточным движением водовоздушного потока и атмосферного воздуха обеспечивают увеличение дальности полета капель воды, но снижают эффективность их теплообмена с атмосферным воздухом (эффект затопленной струи). Особенно существенно снижение в результате выделения теплоты
фазового перехода воды в сопутствующем потоке воздуха и возможности его нагревания. Исключение данного негативного фактора может быть достигнуто при противоточном движении воздушного потока и атмосферного воздуха.
Применение пневмогидравличе-ских форсунок-снегообра-зователей может даже обеспечить подогрев воздуха до положительных температур при повышенных коэффициентах орошения (Кор >0,1) и возвратнопоступательном движении капель в потоке атмосферного воздуха.
Исследования горизонтальных снегообразователей-возду-хонагревателей были проведены на полигоне СПГГИ (ТУ) «Эркиля».
Целью экспериментальных исследований являлось определение эффективности использования пневмо-гидравлических форсунок для осуществления подогрева атмосферного воздуха, имеющего отрицательную температуру при одновременной генерации снега для пылеподавления.
Для проведения экспериментальных исследований на полигоне С.Пб. горного института «Эркиля» (г. Вы-
борг) была собрана установка, принципиальная схема которой показана на рис. 2. Установка включала компрессор I, пневмогидравлическую форсунку II, корпус, имеющий пира-мидоидальную форму III, бак с водой IV, эжектор - V, а также трубопровод для подачи воды в форсунку с вентилем 4 и трубопроводы для подачи сжатого воздуха в бак с водой (вентиль 3), эжектор (вентиль 2), форсунку (вентиль I). В выбранных сечениях (а, б, в) корпуса установки были размещены датчики для изменения температуры воздуха. Площади сечений а, б, в, соответственно,
составляют 0,36; 0,69; 4,95 м2.
Установка работала следующим образом: с помощью эжектора V в корпусе установки создавалось разрежение, приводящее к засасыванию туда определенного количества холодного наружного воздуха. Двигаясь вдоль корпуса, воздух подогревался в результате теплообмена с водой, диспергируемой с помощью пневмогидравлической форсунки II. В свою очередь распыляемая вода замерзала и образовавшийся снег оседал на нижней части корпуса установки. При изменении положения эжектора в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси на противоположное воздушный поток реверсировался.
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки для подогрева воздуха с помощью теплоты замерзания воды: I - компрессор; II - пневмогидравлическая форсунка; III - корпус; IV - бак с водой; V -эжектор; 1,2,3,4 - вентили; а, б, в - сечения, в которых производились замеры
В ходе выполнения экспериментальных исследований в качестве измеряемых параметров были выбраны: температура наружного воздуха, температура воздуха в сечениях а, б, в установки, влажность наружного воздуха и влажность воздуха на входе и выходе из установки, температура воды, находящейся в баке IV; расход воды; скорости движения воздуха в сечениях а, б, в; давление сжатого воздуха, создаваемое компрессором.
Для измерения температуры на-
ружного воздуха и температуры воды, применялись стандартные термометры, а относительной влажности - суточные гигрографы. С помощью гигрографов осуществлялся также контроль относительной влажности воздуха на входе и выходе из установки. Расход воды определялся по объему бака и времени проведения эксперимента, давление сжатого воздуха по показаниям манометра, установленного на компрессоре.
Температуры воздуха в замерных сечениях измерялись датчиками электротермометра, а также термоанемометром ПТ-22. Этим же прибором определялись скорости движения воздушной среды.
В ходе проведения экспериментов было установлено: температура наружного воздуха составляла -8 +-7оС; его относительная влажность была равна 0,8; температура воды в баке - +2 ^+3°С; расход воды 1,5 л/мин; давление сжатого воздуха -
НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА:
0,4 МПа. При этом влажность воздуха на выходе из установки увеличивалась до 0,850,9, а температура повышалась до -4^-5оС (табл. 2).
Второй этап исследований на полигоне «Эркиля» включал изучение температурного режима свободно выпускаемой струи сжатого воздуха и воды из
форсунки в воздух (затопленная струя). При этом испытывались пнев-могидравлические форсунки диаметром 5 мм и 2 мм.
Третий этап исследований на полигоне «Эркиля» заключался в измерении параметров возвратноточной «адиабатной» системы «пневмогид-равличес-кая струя» «холодный воздух» при горизонтальном расположении устройства.
Исследования проводились при выпуске сжатого воздуха в воздухо-
провод с эжекцией холодного атмосферного воздуха (кривая 2 на рис. 3), работе пневмогидравлической форсунки ^вд = 0оС) и вентилятора - кривая I, работе пневмогидравлической форсунки ^вд = 20оС) - кривая 3 и при работе пневмогидравлической форсунки без подачи воздуха вентилятором - кривая 4 (кривая 5 - температура атмосферного воздуха).
Результаты экспериментов свидетельствуют о стабильном снего-образовании и подогреве холодного воздуха с сдвигом зоны снегообра-
Таблица 3
ДИНАМИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ЦЕНТРА ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ
Диаметр Температура струи (°С) на расстоянии (м)
форсунки 0 0,1 0,2 0,4 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
5 мм 5 4 2 0 0 0 -3 -5 -5
2 мм 4 2 0 0 0 -1,5 -4 -5 -5
Физические явления Зона снегообразования
Зона снегообразования
1. Температура атмосферного воздуха 1* = -5оС
2. Температура воды tвд = 3оС
3. Температура сжатого воздуха на выходе из компрессора N = 3 ОО о С
4. Давление сжатого воздуха Рсж = 0,5 МПа
5. Расход воды Qвд = 60 кг/ч
6. Расход сжатого воздуха Qсж = 30 м3/ч
7. Максимальная теплопроизводительность системы при фазовом переходе воды Эт = 18000 кДж/ч
8. Температура сжатого воздуха на выходе из форсунки (без воды) d = 5 мм... 23-25оС, d = 2 мм. 9-15оС
НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА:
1. Температура атмосферного воздуха 1в = -9оС
2. Температура воды 1вд = 0оС(20оС)
3. Мощность компрессора N = 4 кВт
4. Расход сжатого воздуха Qсж = 30 м3/ч
5. Мощность вентилятора N = 25 Вт
6. Расход воды Qвд = 72 кг/ч
зования к началу поступающего холодного потока при повышении температуры воды. Анализ исследований [3, 5, 6, 9, 10, 11, 12] (табл. 4) показывает, что наиболее существенно на время замерзания капли влияет её диаметр, зависящий, в свою очередь, от конструкции форсунки и принципа её действия. Для тангенциальных гидравлических форсунок зависимость среднего диаметра капель имеет почти линейный характер от давления воды и диаметра сопла. В диапазоне давления от 0,15 до 0,45 МПа и размеров сопла от 1,5 до 5 мм диаметры капель изменяются от 200^320 мкм до 400^550 мкм, достигая при снижении давления даже 800-1000 мкм. В пневмогидравлических форсунках диспергирование воды существенно возрастает и получаемый диаметр капель достигает 50^250 мкм. Скорость свободного падения капель в неподвижном воздухе линейно связана с их диаметром в указанном диапазоне (зависи-мость V = 0,0075d) и увеличивается от 0,75 м/с при диаметре 100 мкм до 4,5 м/с при диаметре 600 мкм [8]. При встречном движении потока воздуха возможен подъем капель при скорости несколько меньшей (на 10-20 %) скорости падения капель в неподвижном воздухе.
Коэффициент теплоотдачи с поверхности падающих капель в неподвижном воздухе также существенно зависит от их диаметра, экспоненциально уменьшаясь от 2000 кдж/м2-ч-град при диаметре 500 мкм с резким изменением в интервале 200^400 мкм и увеличением диаметра капель до 5 мм (5000 мкм). Удельный расход электрической энергии для распыления, транспорта воды и обогрева системы (защита от замерзания воды) составляет около 1-5 квт-ч на 1 м3 разбрызгиваемой воды. Его вели-
чина зависит от условий снегообразования и увеличивается с повышением температуры до максимально возможного уровня -1,5^2,0°С. Имеющийся практический опыт искусственного снегообразования с использованием пневмогидравличе-ских форсунок, а также передвижных зарубежных снегогенераторов различных фирм свидетельствуют о различной энергетической эффективности данного процесса. Характеристикой последнего, с позиций получения тепловой энергии, может быть тепловой коэффициент Кт, по аналогии с холодильным коэффициентом, численно равный отношению полученного в системе тепла за счет фазового перехода воды Qфт к затратам энергии N на его производство. Кт = =Qфт/Nф•Эт; где Эт -тепловой эквивалент соответствующего вида затрачиваемой энергии.
Теоретически наиболее высокий тепловой коэффициент может быть достигнут при использовании гидравлических форсунок и замерзании свободно падающей воды в встречном потоке холодного воздуха. Затраты энергии в этом случае связаны лишь с необходимостью подъема воды на высоту её падения 1к, ориентировочно равную 40-50 м. Величина Кт для таких устройств превышает 250^300.
Минимальное значение Кт получено при генерации снега с использованием мощных вентиляторов -оросителей НК-12-КВ-1М на базе турбовинтовых двигателей [4]. Значительные затраты энергии в этом случае были связаны с переносом капель воды на расстояние до 300350 м и последующим их свободным падением с высоты более 40 м в атмосфере с температурой ниже -12 оС. Тепловой коэффициент данной системы составлял лишь 1,52,5.
Существенно выше величина Кт при работе широко распространенных за рубежом передвижных снегогене-раторов, например, фирмы Рольба. Тепловой коэффициент такого устройства превышает 5о и может достигать ЮС.
Приближаются к этим значениям и показатели процесса снегообразова-ния при использовании пневмогид-равлических форсунок отечественной конструкции [б, 7] с принудительным противоточным прокачиванием воздуха вентилятором.
Применение снегообразователей-воздухонагревателей может повысить энергетическую эффективность процессов пылеподавления при использовании нагретого до умеренных отрицательных температур воздуха для пылеподавления.
В этом случае снегогенератор-воздухонагреватель оборудуется дополнительной конической насадкой, устанавливаемой за всасывающим вентилятором и предназначенной для увеличения скорости вылета капельно-воздушной смеси, формируемой с помощью гидравлической форсунки-тумано-образователя, встроенной внутри насадки после вентилятора. Работа устройства обеспечивает сне-гообразование-пылеподавление на выходе из снегогенератора и вынос снега за счет энергии сжатого воздуха. Дальнобойность струи по результатам испытаний - более 7-Ю м. Ту-мано-воздушная смесь после выхода из конической насадки может доставляться по гибкому воздухопроводу к другому источнику пылеобразования, например, перегружателю комбайна, или месту погрузки в транспортные средства экскаватором. Конденсация пара и частичное замерзание тонко-диспергированных капель на пылинках обеспечат их консолидацию и пы-леподавление.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ищук И.Г., Поздняков Г.А.. Средства комплексного обеспыливания горных предприятий. Справочник. - М.: Недра, 1991.
2. Битколов Н.З., Медведев И.И.. Аэрология карьеров. Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1992.
3. Осодоев М.Т.. Борьба с пылью на угольных разрезах Якутии. - Якутск: изд. ЯФ СО АН СССР, 1987.
4. Конорев М.М., Росляков С.М., Страшинов О.Г., Зайцев
В.Д.. Система вентиляции и всесезонного пылегазоподавления. Горный журнал. № 7, 1990.
5. Битколов Н.З., Иванов И.И., Лиханов КС.. Пылеподавление на разрезах при отрицательных температурах воздуха. Уголь. - 1982, №
Рис. 3. Схема и результаты исследования температурного режима адиабатного горизонтального воздухонагревателя - сне-гогенератора
6. А.с. 1174693 СССР, МКИ F 25.С.3/04. Устройство для получения искусственного снега / Осодоев М.Т., Божедонов А.И., Шувалов Ю.В. и др. / - № 3718495/28-13. Опубл. 23.08.85. Бюл. № 31. Открытия. Изобретения. - 1985.
7. А.с. 1132124 СССР, МКИ F 25.С.3/04. Устройство для получения искусственного снега / Осодоев М.Т., Божедонов А.И., Комзолов А.В., Шувалов Ю.В. / -
№ 3654238/28-13. Опубл. 30.12.84. Бюл. № 48. Открытия. Изобретения. - 1984.
8. Сморыгин Г.И.. Теоретические основы получения льда рыхлой
структуры. Новосибирск. Наука, 1964.
9. Луговской С.И., Шкута Э.И., Ошмянский И.Б., Немченко А.А. Совершенствование разработки и вентиляции рудников. М., Недра, 1968, 303 с.
10. Клебанов Ф.С. К вопросу о подогреве шахтного воздуха за счет теплосодержания и скрытой теплоты замерзания воды. Сб. Проблемы рудничной аэрологии. - М., Госгортехиздат, 1959, с.289-297.
11. Стоянов С. Время полного замерзания капли воды. Гидрология и метеорология. София. XXII. Кн. I, 1973, с.11-15.
12. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. М., Машиностроение, 1970, с.344.
у7
Шувалов Юрий Васильевич профессор, докчор юхничсских наук, Санкч-Псюрбурк'кий юсударсжсннмй трный инсшт.
Мохамад Асад, Бульбашев А.П. Санкч-Пеюрбурижий тсударстенный юрный ин-
г
